模數(shù)�(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)�(zhuǎn)換成�(shù)字信�(hào)的系�(tǒng),是一�(gè)濾波、采樣保持和編碼的過(guò)�。模擬信�(hào)�(jīng)帶限濾波,采樣保持電�,變?yōu)殡A梯形狀信號(hào),然后通過(guò)編碼�,使得階梯狀信號(hào)中的各�(gè)電平�?yōu)槎M(jìn)制碼�
LTC2460/LTC2462 是超纖巧� 16 位模�(shù)�(zhuǎn)換器,具有一�(gè)集成的精�(zhǔn)基準(zhǔn)。它們采� 2.7V � 5.5V 單電�,并通過(guò)一�(gè) SPI 接口�(jìn)行通信。LTC2460 是單端器�,具有一�(gè) 0V � VREF 的輸入范圍,� LTC2462 是差分器�,具有一�(gè) ±VREF 的輸入范�。這兩� ADC 均包括一�(gè) 1.25V 的集成基�(zhǔn),具� 2ppm/C 的漂移性能� 0.1[%] 的初始準(zhǔn)確度。這些�(zhuǎn)換器采用 12 引腳 3mm x 3mm DFN 封裝� MSOP-12 封裝。它們包括一�(gè)集成振蕩�,并�(zhí)行無(wú)延遲的轉(zhuǎn)換操�,旨在滿(mǎn)足多工應(yīng)用的需要。LTC2460/LTC2462 包括一�(gè)�(zhuān)有的輸入采樣電路,與采用傳統(tǒng)� ΔΣ �(zhuǎn)換器相比,該電路可將平均輸入電流減小幾�(gè)位的�(shù)量級(jí)�
在執(zhí)行完一次轉(zhuǎn)換之后,LTC2460/LTC2462 將自�(dòng)�(duì)�(zhuǎn)換器�(jìn)行斷電操�,而且也可通過(guò)配置�(lái)使基�(zhǔn)斷電。當(dāng) ADC 和基�(zhǔn)均被斷電�(shí),電源電流將減小� 200nA�
LTC2460/LTC2462 能夠以每� 60 次轉(zhuǎn)換的速率�(zhí)行采樣操�,而且,由于過(guò)采樣比非常大,因而具有極為寬松的抗混疊要�。這兩款器件均采用了對(duì)用戶(hù)而言是透明的連續(xù)�(nèi)部偏移和全標(biāo)度校�(zhǔn)算法,從而在整�(gè)�(shí)間和工作溫度范圍�(nèi)確保了準(zhǔn)確度�
特點(diǎn)
16 位分辨率,無(wú)漏失�
�(nèi)部基�(zhǔn),高�(zhǔn)確度 10ppm/?C (值)
單端 (LTC2460� 或差� (LTC2462�
2LSB 偏移誤差
0.01[%] 增益誤差
�(zhuǎn)換速率為每� 60 �
�(duì)于多工應(yīng)用可在單�(zhuǎn)換穩(wěn)�
具自�(dòng)停機(jī)功能的單周期操作
1.5mA 電源電流
2μA (值) 睡眠模式電流
�(nèi)部振蕩器 —� �(wú)需外部元件
SPI 接口
超纖巧型 12 引腳 3mm x 3mm DFN � MSOP 封裝
封裝
�(yīng)�
系統(tǒng)�(jiān)�
�(huán)境監(jiān)�
直接溫度�(cè)�
儀�
工業(yè)�(guò)程控�
�(shù)�(jù)采集
嵌入� ADC 升級(jí)
典型�(yīng)�
模數(shù)�(zhuǎn)換器的總噪聲頻譜密度性能�(shí)際上反映為一系列參數(shù),如熱噪�、抖�(dòng)以及量化噪聲——也就是特定帶寬(BW)上的信噪比(SNR�。在�(shè)�(jì)人員試圖理解被采樣信�(hào)中的�(zhuǎn)換器可分辨“步�(jìn)”時(shí),轉(zhuǎn)換器�(shù)�(jù)手冊(cè)中給出的信噪比可以給他們提供現(xiàn)�(shí)的期望�。這�(gè)步�(jìn)也被�(chēng)為有效位或LSB。對(duì)于一�(gè)已知�(mǎn)量程輸入的N位轉(zhuǎn)換器,可以用下面的公式計(jì)算出信噪比和有效位大�,即SNR=20*log(Vsignal-rms / Vnoise-rms�,和LSB =(Vrms︱Fullscale/�2^N))�
通過(guò)重新整理這�(gè)公式可以得出�(zhuǎn)換器的噪聲Vnoise-rms =Vsignal-rms*10^-SNR/20。因�,對(duì)于一�(gè)80MSPS、SNR=80dB、輸入滿(mǎn)量程電壓�2Vpp的典�16位模�(shù)�(zhuǎn)換器�(lái)�(shuō),其噪聲Vnoiserms = 70.7uVrms,或LSB值為10.8uVrms�
下面讓我們看一下電阻噪�。電阻噪聲被定義為Vresn=sqrt�4*k*T*B W*阻值),因此一�(gè)1kΩ的電阻在1Hz帶寬�(nèi)將增加約4nV的噪�。公式中的T為開(kāi)爾文溫度(室� = 290K�,BW是帶�,k是波爾茨曼常�(shù)�1.38x10E- 23 �/�/K)。對(duì)于轉(zhuǎn)換器的電阻噪�,看起來(lái)似乎不必�(guò)于擔(dān)�,但�(shí)際上千萬(wàn)不要被表象所迷惑�
讓我們繼�(xù)討論如何降低噪聲指數(shù)以便提高靈敏�。我們可以在�(zhuǎn)換器前端�(shè)�(jì)中增加增益和電阻�(lái)�(dá)到這一目的。在�(wú)源前端情況下,輸入滿(mǎn)量程降低2倍,意味著噪聲指�(shù)將下�6dB。不�(guò),還要考慮非相�(guān)的電阻噪��
例如,在40MHz帶寬�(nèi),一�(gè)50Ω的源電阻意味著電阻噪聲有7.2uV。請(qǐng)注意:在單極�(diǎn)系統(tǒng)�,噪聲帶寬比信號(hào)帶寬�1.57�,這�(gè)50歐姆的電阻帶�(lái)的熱噪聲�(duì)系統(tǒng)的信噪比的惡化不�(huì)超過(guò)0.1dB,即,Vnoise-rms=sqrt�7.2uV^2 + 70.7uV^2�=71uVrms。這�(gè)幅度不是太大,但我們還�(méi)有把系統(tǒng)中的增益考慮�(jìn)�。當(dāng)信號(hào)鏈中的增益為2�(shí),一�(gè)50Ω的電阻引起的噪聲相當(dāng)�14.4uVrms,而相反的�(fù)載側(cè)�200Ω終端電阻噪聲將額外增�14.4uVrms。在這兩�(gè)非相�(guān)的噪聲源和的平方根(RSS)共同作用下,總噪聲將達(dá)20.3uVrms,相�(dāng)�2�(gè)LSB!
這里的關(guān)鍵是�(zhuǎn)換器噪聲�(yuǎn)�(yuǎn)大于電阻噪聲�(xiàng),即使轉(zhuǎn)換器前有一些增益也是如此。然�,隨著在整�(gè)信號(hào)鏈中使用更大的電阻和增益,總噪聲將很容易使信噪比變差(LSB=1�=6dB)。因�,在信號(hào)鏈中分配增益一定要小心,因?yàn)楦鞣N�(fù)面因素的效應(yīng)�(huì)很快疊加�
今天的模擬系�(tǒng)�(shè)�(jì)工程師面臨許多設(shè)�(jì)挑戰(zhàn),他們不僅需要選擇正確的IC元件,還必須�(zhǔn)確地�(yù)�(cè)這些元件在系�(tǒng)�(nèi)的相互影�。從這點(diǎn)�(lái)�,模�(shù)�(zhuǎn)換器的設(shè)�(jì)是一�(gè)巨大挑戰(zhàn),因?yàn)樗哂斜仨氃谙到y(tǒng)�(jí)加以考慮的各種不同的輸入采樣�(jié)�(gòu)。本文將探討幾種通用的輸入采樣結(jié)�(gòu),并討論每種�(jié)�(gòu)�(duì)系統(tǒng)其它部分的影��
在如今許� CMOS模數(shù)�(zhuǎn)換器�,常用的解決方法是采用開(kāi)�(guān)電容器結(jié)�(gòu)�(shí)�(xiàn)輸入采樣。這種輸入�(jié)�(gòu)的最基本形式由相�(duì)較小的電容器和模擬開(kāi)�(guān)組成,如�1所��
�(dāng)�(kāi)�(guān)�(shè)在位�1�(shí),采樣電容器被充電至采樣節(jié)�(diǎn)的電�(在該例中為VS),然后開(kāi)�(guān)切換至位�2,此�(shí)采樣電容器上累積的電荷被�(zhuǎn)移至采樣電路的其它部分。這一�(guò)程不斷反�(fù)�
上述不帶緩沖器的�(kāi)�(guān)電容器輸入可引起�(yán)重的系統(tǒng)�(jí)�(wèn)�。例如,將采樣電容器充電到適�(dāng)電壓所需的電流必須由連接到模�(shù)�(zhuǎn)換器輸入端的外部電路提供。當(dāng)電容器切換到采樣節(jié)�(diǎn)(�1中的�(kāi)�(guān)位置1)�(shí),對(duì)電容器�(jìn)行充電需要大電流。這一瞬態(tài)電流的大小是采樣電容器容值、電容開(kāi)�(guān)頻率和采樣節(jié)�(diǎn)電壓的函�(shù)�
這�(gè)�(kāi)�(guān)電流由下式表示:
Iin=CVf
其中,C為采樣電容器的電容�,V為采樣節(jié)�(diǎn)上的電壓(本例中用VS表示),f為采樣開(kāi)�(guān)�(jìn)行開(kāi)�(guān)操作的頻率。這�(gè)�(kāi)�(guān)電流�(huì)在采樣節(jié)�(diǎn)�(chǎn)生較高的電流尖峰(�1)�
�(dāng)�(shè)�(jì)模數(shù)�(zhuǎn)換器前端的模擬電路時(shí),必須考慮這�(gè)�(kāi)�(guān)電流的影�。由于該電流可以通過(guò)任何電阻,所以將�(chǎn)生壓�,在模數(shù)�(zhuǎn)換器的采樣節(jié)�(diǎn)處產(chǎn)生電壓誤�。如果轉(zhuǎn)換器的輸入端有高阻抗傳感器或高阻抗濾波器相�,那么這�(gè)誤差將非常大�
例如,假�(shè)電阻器被放置在模�(shù)�(zhuǎn)換器的前�,以隔離傳感器并增強(qiáng)靜電放電( ESD)保護(hù)功能(�2)。在本例�,采樣電容器的容值為10pF,開(kāi)�(guān)頻率�1MHz。利用上式計(jì)算可�,瞬�(tài)電流約為25?A。當(dāng)這�(gè)瞬態(tài)電流通過(guò)10k?的電阻器�(shí),采樣節(jié)�(diǎn)上將�(huì)�(chǎn)�250mV的電壓誤�。由于采樣節(jié)�(diǎn)可能被安排在下一�(gè)采樣周期之前,因此這是最差情況下的近似�。該建立�(shí)間取決于�10kΩ電阻器和采樣電容器構(gòu)成的RC�(shí)間常�(shù),以及模�(shù)�(zhuǎn)換器輸入端的寄生電容。寄生電容可能是由模�(shù)�(zhuǎn)換器的導(dǎo)�(xiàn)、電路板上的走線(xiàn)�(zhǎng)度以及內(nèi)部MOS�(kāi)�(guān)電容造成的。此�,可能需要一�(gè)外部緩沖器電路來(lái)提供必需電流,并確保采樣節(jié)�(diǎn)能被正確�(shè)�,從而保持轉(zhuǎn)換器的線(xiàn)性特��
不過(guò),當(dāng)�(kāi)�(guān)頻率更高�(shí),放大器輸出阻抗將增�,因此必須仔�(xì)選擇放大器和相關(guān)電路才能解決瞬態(tài)�(kāi)�(guān)電流�(wèn)題�
為盡可能減小外部電路的瞬�(tài)電流要求,可以設(shè)置一�(gè)�(nèi)部緩沖器(�3)。在這�(gè)�(shí)�(xiàn)方案�,模擬開(kāi)�(guān)�(gòu)成三種不同的狀�(tài)。在位置1�,采樣電容器被快速充電至采樣節(jié)�(diǎn)電壓(在本例中為VS)加上(或減�)緩沖器偏�(VOS)。在這一階段,對(duì)電容器充電所需的瞬�(tài)電流由內(nèi)部緩沖器電路提供。內(nèi)部緩沖器可被�(yōu)化設(shè)�(jì),以便在所要求的開(kāi)�(guān)頻率下提供低阻抗輸出,利用該�(kāi)�(guān)頻率可在指定�(shí)間對(duì)電容器�(jìn)行正確充�。然�,開(kāi)�(guān)被重新配置,在圖3位置2處形成連接。在此階�,采樣電容器直接與模�(shù)�(zhuǎn)換器的采樣節(jié)�(diǎn)相��
接著,采樣電容器被充電或放電,以便電容器電壓與采樣節(jié)�(diǎn)上的電壓相等。此�(shí)可能仍然存在少量�(kāi)�(guān)電流,但外部電路所需的電流將減少,這是由于電容器電壓已�(jīng)被充電至�(nèi)部緩沖器的偏置電壓范圍內(nèi)�,模擬開(kāi)�(guān)切換到位�3�,此�(shí)采樣后的電壓可被傳送至采樣電路的其余部�。帶緩沖器的�(kāi)�(guān)電容器輸入能夠大幅降低模�(shù)�(zhuǎn)換器外部電路的瞬�(tài)電流,這是它的�(yōu)�(diǎn)之一。在前一�(gè)例子�,采樣電容器的容值為10pF,開(kāi)�(guān)頻率�1MHz。假�(shè)�(nèi)部緩沖器的電壓偏置為10mV,這將�(chǎn)生僅100nA的瞬�(tài)電流,該�(shù)值比不帶緩沖的采樣輸入的瞬態(tài)電流�250��
在某些情況下,一�(gè)固定或可編程增益放大器被集成到模�(shù)�(zhuǎn)換器前端的同一�(gè)硅片中,這�(gè)放大器不僅有助于減小必須由外部電路提供的�(kāi)�(guān)電流,而且還能�(duì)模擬信號(hào)�(jìn)行放�。另�,還可以�(shè)置一�(gè)斬波�(wěn)定放大器�(lái)減小1/f噪聲,這種噪聲有時(shí)也被�(chēng)為“閃爍噪聲�。這種低頻噪聲是由處理工藝固有的MOS晶體管通道中的表面�(tài)引起的。斬波可以消�1/f噪聲,并減小外部電流要求。不�(guò),由于MOS�(kāi)�(guān)不匹�,電路中仍將存在少量輸入瞬態(tài)電流�
�(wú)論采用何種采樣架�(gòu),模�(shù)�(zhuǎn)換器都必須實(shí)�(xiàn)某種形式的ESD保護(hù)。對(duì)于CMOS方案�(lái)�(shuō),通常采用箝位二極管�(jìn)行ESD保護(hù),如�4所�。箝位二極管可有效限制加在轉(zhuǎn)換器�(nèi)部晶體管上的電壓。如果輸入電壓與電源軌之差超�(guò)了二極管壓降(通常�0.7V),則二極管將�(kāi)始傳�(dǎo)電流并限制電�。但�,箝位二極管同樣�(huì)出現(xiàn)電流泄漏,在�(shè)�(jì)模擬輸入電路�(shí)必須考慮這�(gè)�(wèn)�。盡管這�(gè)泄漏電流通常都較小,也許只有幾皮安培,但該電流會(huì)隨著溫度升高而按比例大幅增加�
隨著模數(shù)�(zhuǎn)換器的持�(xù)�(fā)�,系�(tǒng)�(shè)�(jì)工程師能充分理解所采用的輸入結(jié)�(gòu)以及這種�(jié)�(gòu)�(duì)外部電路的影響已�(jīng)變得越來(lái)越重要。本文對(duì)一�(gè)�(jiǎn)單的�(kāi)�(guān)電容器輸入結(jié)�(gòu)�(jìn)行了探討。開(kāi)�(guān)電流要求可顯著影響系�(tǒng)的總體性能,而外部電路必須�(jìn)行相�(yīng)�(shè)�(jì)。一�(gè)集成的緩沖器或放大器可以大幅減小�(kāi)�(guān)電流,從而簡(jiǎn)化模�(shù)�(zhuǎn)換器外部的電路設(shè)�(jì)。ESD保護(hù)電路也將�(huì)影響外部電流要求,并且隨著溫度變化對(duì)電流的影響也不一��