工业应用数据信号采集的新选择

admin

引言
在中等速度至高速 ADC 市场上占大多数的是逐次逼近型寄存器 (SAR) ADC。此类 ADC 的分辨率为 8 位至 18 位，采样速度则高达 5Msps。与流水线型 ADC 相比，SAR ADC 可提供较低的功耗、较高的分辨率和准确度、较小的外形尺寸和零延迟，因此成为众多应用的首选。凌力尔特公司推出了其首款 18 位 SAR ADC LTC2379-18，该器件兼具高分辨率 (18 位)、高速度 (1.6Msps)、高 SNR (101dB) 和低功耗 (18mW)，非常适合于高性能医疗、工业及汽车应用的要求。
适用领域
典型的工业信号链路 (图 1) 由传感器 (用于监视诸如压力、温度、电压或电流等模拟输入)、放大器和滤波器 (负责对输入进行放大和滤波)、ADC (用于将重要的输入信号转换为数字格式) 以及数字信号处理器或微控制器 (负责处理数字信号) 组成。高准确度系统需要使用高分辨率 ADC 来对输入信号进行较为精细的数字化处理。另外，ADC 还必须要能在尽可能不增加信号链路噪声的情况下快速完成转换操作。LTC2379-18 的 18 位分辨率可提供系统所需的准确度和分辨率，并实现采样速率高达 1.6Msps 的高速运作。该器件给信号链路带来的噪声或功耗的增加极少，并提供了这些系统所要求的单触发转换。

图 1：工业信号链路
LTC2379-18 的独特性何在? 是什么使其与市面上的其他同类产品截然不同?
LTC2379-18 是凌力尔特公司的首款 18 位 SAR ADC，该器件拥有无可比拟的 101dB SNR 性能以及突破性的全新数字增益压缩功能。在一个具有 18 位和 16 位分辨率以及 250ksps至高达 2Msps 速度范围的高性能 SAR ADC 系列中，LTC2379-18 是旗舰产品。同类竞争的 18 位 2Msps SAR ADC 在其最大采样速率下具有一个延迟周期，这意味着第一次转换包含无意义的数据且应忽略。与 1.6Msps 的 LTC2379-18 相比，它们事实上是 1.5Msps 无延迟的 18 位 SAR ADC。
无与伦比的性能
LTC2379-18 的 101dB SNR 比最为接近的同类竞争产品高出 4dB，从而使其成为市场上性能最佳的 18 位 SAR ADC，采样速率可达 1.6Msps。高 SNR 为信号处理链路提供了更加宽广的动态范围和更大的噪声裕量，因而有助于放宽系统设计限制。图 2 示出了 LTC2379-18 的 FFT 曲线图 (工作于 18 位分辨率和 1.6Msps 采样速率)。该高速 SAR ADC 的极低噪声层在系统设计中提供了异常出色的灵活性。多个相互抵触的因素影响着 ADC 的设计，而且通常需要在 ADC 噪声与速度指标之间进行权衡取舍。相比于较高速度的 ADC，速度较低的 ADC 往往能够保持较低的操作噪声。LTC2379-18 实现了高速度和高性能并提升了 SAR ADC 的标准，从而将有助于设计人员设计出先前并不可行的系统。

图 2：LTC2379-18 的 FFT 曲线图
解读数字增益压缩
传统的高分辨率 SAR ADC 信号链路常常要求 ADC 驱动器进行单端输入至差分输出的转换，旨在拓展动态范围。这些 ADC 驱动器由一个正电源和负电源来供电，其中负电源必需在驱动器中维持优良的失真性能，这是因为输出晶体管需要几十 mV 的电压以保持高线性度。负电源轨不仅消耗功率，而且其产生以及在整个 PCB 上的布线都很麻烦。面对这些限制条件，具功耗意识的设计一般通过衰减输入信号来免除驱动器的负电源。通过零标度和全标度代码的延迟，这些设计降低了对 ADC 驱动器放大器的输出摆幅要求。然而，在诸如控制系统等多种应用中，失去在靠近转移函数边界的地方生成代码的能力可能会带来不便，因为该信息可以是很重要并用于检测超出调节范围的状况。

  
图 3：数字增益压缩功能

为了克服上述的基本限制，LTC2379-18系列配备了一种独特的数字增益压缩 (DGC) 功能。当启用时，ADC 将执行一种数字定标功能，把零标度代码从 0V 变换至 0.1 * VREF，并把全标度代码从 VREF 变换至 0.9 * VREF。对于 5V 的典型基准电压，输入范围将为 0.5V 至 4.5V，这为从单 5V 电源来给驱动放大器供电提供了足够的空间。如图 3 所示，DGC 功能允许 ADC 产生包括零标度和全标度在内的所有代码 (例如：对于一个 18 位 ADC，共有218 = 262,144 个代码)，同时降低对 ADC 驱动器放大器的输出摆幅要求。
图 4 示出了一个完整的信号链路，借助 LTC2379-18 的 DGC 功能，该链路可采用5V 至 12V 单电源以 18 位分辨率和 1.6Msps 采样速率对一个 ±10V 真正双极信号进行数字化处理。由于免除了负电源，因此大幅度地降低了信号链路的总功耗，而输入摆幅的减小则为大多数 ADC 驱动器提供了足够的空间。另外，它还减少了组件数目并简化了设计。此电路在 LTC2379-18 的演示系统 DC1783A 中实现，并获得了 99dB SNR 和超过 100dB THD。即使与最接近的 18 位同类竞争产品相比，其性能仍然高出了 2dB。由于免除了驱动器放大器的负电源、并能够保持 ADC 的零标度和全标度代码输出，因而提供了一款适合新式工业控制系统的独特解决方案。

  
图 4：LTC2379-18 采用数字增益压缩功能免除了负电源
真正的零功率采样，低功率耗散：ADC 的总周期包括转换时间和采集时间。因此，建议密切关注采集阶段的功率耗散，在该阶段中，采集时间会持续几秒或几天以等待一个输入信号。LTC2379-18 在采集阶段中的功率耗散几乎为零，从而使其成为一款真正的零功耗采样器件。零功耗采样以及功率耗散与采样速率的线性定标使 LTC2379-18 成为一款具有非常低功耗的器件，在 1.6Msps 时仅为 18mW，而在 250ksps 时仅为 3.75mW，同时支持足足 1.6Msps 的操作速率。另外，LTC2379-18 还提供了一种停机模式，可用于长时间的待机状态以最大限度地降低功耗。该停机模式可将功耗减少至 18μW。对于要求低功率的应用 (包括那些在每块电路板上使用多个 ADC 的应用)，LTC2379-18 的低功率耗散特性是理想的。
无延迟性能：LTC2379-18的真正单触发操作和无最小采样速率要求可在施加转换起动脉冲时实现立即转换，且没有最小空闲时钟要求。这一点对于诸如 ATE (自动测试设备) 等应用来说是很重要的，在此类应用中 ADC 处于等待某个测试例程的空闲状态，该测试例程要求 ADC 变至运行状态并恰好在一个时钟周期之后产生一个准确的结果。
小的封装尺寸：LTC2379-18 系列采用小外形的 3mm x 4mm DFN 封装和 MSOP-16 封装，因而可以在许多空间受限的应用中使用。
用户友好型数字接口：LTC2379-18 实现了1.6Msps 的操作速率和简单的串行定时 (采用 SCK 和 SDO)。同类竞争产品需要精确地控制这些引脚的空闲状态以产生特定的控制信号，而 LTC2379-18 系列则与此不同，它提供了清楚明白的 BUSY、RDL/SDI 和 CHAIN 引脚以简化接口，而无需外部组件。明晰的 CHAIN、RDL/SDI 和 BUSY引脚简化了单根 SPI 总线上多个 ADC 的菊链式连接 (图 5)。

图 5：菊链模式中的 LTC2379-18
引脚和软件兼容型系列
LTC2379-18 和 LTC2380-16 代表了一个完整的引脚和软件兼容型高性能 18 位和 16 位 SAR ADC 系列。这些 ADC 不仅提供了从 250ksps 至高达 2Msps 的速度选项，而且还使客户能够灵活地实现从较低速度器件至较高速度的升级 (反之亦然)，而无需变更其设计和软件。

  
图 6：完整的 18 位 / 16 位引脚兼容型 SAR ADC 系列

李小路

谢谢分享！