精準型工業(yè)系統要求新的數據轉換準確度水平

電路架構

具 ppm 級保證線(xiàn)性度和準確度的 LTC2378-20對于許多精準型工業(yè)系統而言是一個(gè)具顛覆性的產(chǎn)品。LTC2378-20 采用一種專(zhuān)有架構進(jìn)行設計，此架構可確保線(xiàn)性度并最大限度地減弱其對于溫度和其他工作條件變化的敏感性。因此，在整個(gè)工作溫度范圍內保證了前所未有的 2ppm INL 規格指標。

SAR ADC 算法基于二進(jìn)制搜索原理。把模擬輸入采樣至一個(gè)電容器，并與一個(gè)利用 SAR 算法選擇的基準電壓之分數進(jìn)行順序比較。SAR ADC 包括 3 個(gè)關(guān)鍵性組件：一個(gè)基于電容器的數-模轉換器 (CDAC)、一個(gè)快速低噪聲比較器電路和一個(gè)逐次逼近寄存器。傳統 SAR ADC 的 INL 性能有可能受限于 CDAC 中個(gè)別電容器的有限匹配準確度，而且很多高精度 SAR ADC 均采用模擬或數字修整方法以改善匹配準確度。然而，當溫度變化以及施加封裝和電路板應力時(shí)，CDAC 電容器匹配準確度總是會(huì )下降，并有可能限制 ADC 的線(xiàn)性度。

通過(guò)運用一種專(zhuān)有架構 (該架構使得 INL 不受 CDAC 電容器失配的影響)，LTC2378-20 實(shí)現了其最先進(jìn)的 INL 性能，從而使其擁有了針對嚴酷工業(yè)環(huán)境中所存在的那一類(lèi)溫度變化和封裝應力效應的出色堅固性。此外，還對比較器電路進(jìn)行了謹慎的設計以平衡速度、功率和噪聲指標，最終使 LTC2378-20 實(shí)現了前所未有的 104dB 信噪比 (SNR) 以及僅 21mW 的功耗 (在 1Msps)，且并未引入任何的周期延遲。SAR ADC 系列的 LTC2378-20 之功耗與采樣速率成比例，所以當它們工作在 1ksps 時(shí)功耗僅為微瓦級。

準確度和速度

LTC2378-20 所實(shí)現的準確度水平以前只可通過(guò)使用速度低得多的 ADC 架構 (例如：ΔΣ ADC 或多斜率 ADC) 來(lái)獲得。高通道數自動(dòng)化測試設備常常采用這種慢速 ADC 架構以完成高精度 DC 測量，并利用多路復用器以使單個(gè)儀表能夠服務(wù)于多個(gè)輸入。ADC 轉換時(shí)間通?？稍诤軐挼姆秶鷥日{節，以犧牲速度硤岣叻直媛?。策€，當采樣速率高于 100ksps 時(shí)，測量分辨率常常被限制在 16 位以下。LTC2378-20 每秒能獲取百萬(wàn)個(gè)讀數，每個(gè)讀數具有 2.3ppm 的噪聲分辨率 (噪聲的標準偏差，104dB SNR)?？刹捎脭底址绞綄⑼荒M信號多個(gè)讀數的結果組合起來(lái)以改善噪聲分辨率，并產(chǎn)生超過(guò)多斜率 ADC 的性能。例如，通過(guò)對 10 個(gè)樣本塊進(jìn)行平均處理，LTC2378-20 實(shí)際上工作在 1Msps/10 = 100ksps 下，并具有一個(gè) 0.7ppm 的噪聲分辨率 (114dB SNR)。

ΔΣ ADC 和多斜率 ADC 可通過(guò)配置而在一個(gè)觀(guān)測 / 積分周期中對一個(gè)模擬輸入信號進(jìn)行平均處理，以抑制噪聲和干擾。通常采用一個(gè) 100ms 的觀(guān)測周期來(lái)同時(shí)抑制 50Hz 和 60Hz 線(xiàn)路頻率干擾，從而產(chǎn)生一個(gè)僅為 10sps 的吞吐速率。相應地，當采用一個(gè)多斜率 ADC 時(shí)，服務(wù)于 10 個(gè)多路復用通道將需要整整一秒鐘的時(shí)間。圖 2 示出了單個(gè)工作在 102.4ksps 采樣速率下的 LTC2378-20 ADC，其配置有一個(gè)多路復用電路，以在 100ms 的觀(guān)測周期內同時(shí)測量所有 10 個(gè)信號 (交錯式)。在保持與 100ms 觀(guān)測周期相對應的線(xiàn)路頻率干擾抑制的同時(shí)，吞吐速率有所增加，增加倍數為復用通道數 (這里是 10 倍，但還可以更高)，從而大幅度提高了自動(dòng)化測試設備的生產(chǎn)率。在此實(shí)例中，通過(guò)對在觀(guān)測周期中取自每個(gè)通道的 1024 個(gè)樣本進(jìn)行平均處理可增加噪聲分辨率，并提供 22 位的噪聲分辨率 (0.07ppm 或 70nVrms)。平均運算可利用一個(gè)簡(jiǎn)單的加法器 (用可編程邏輯或處理器可輕松實(shí)現) 來(lái)完成。因此，LTC2378-20 顯著(zhù)提升了測量速度，同時(shí)保持了先前架構的重要優(yōu)勢。

圖 2：LTC2378-20 配置為在 100ms 的觀(guān)測周期內對 10 個(gè)模擬輸入同時(shí)進(jìn)行讀取和平均操作