用超纖巧１６位ＡＤＣ取代低性能嵌入式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

摘要：本文介紹了如何利用外置ADC取代微控制器內(nèi)部所集成的ADC以及設(shè)計時需要考慮的注意事項。

關(guān)鍵詞： ADC；微控制器；增益放大器；傳感器阻抗

當(dāng)今的電子產(chǎn)品總是希望尺寸越小越好。從占據(jù)整個房間的服務(wù)器系統(tǒng)到能方便地裝進衣服口袋的消費電子產(chǎn)品，設(shè)計師們不斷尋求實現(xiàn)最小的外形尺寸，在更小的空間中實現(xiàn)更多的功能。能夠讓完整的解決方案比同類方案小10％到20％的設(shè)計師有更大的機會贏得設(shè)計訂單。纖巧的集成電路是從大到小各種產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵。

這類便攜式和空間受限的產(chǎn)品設(shè)計中包括電源、微控制器、MOSFET、放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等電路。專用集成電路(ASIC)中已經(jīng)納入了很多上述功能，取得了不同程度的成功。設(shè)計師在空間、性能和成本之間進行平衡取舍時，一個可能影響測量效果的環(huán)節(jié)是模數(shù)轉(zhuǎn)換。設(shè)計師們常常使用微控制器和集成式ADC或較低分辨率的ADC和前置放大器電路。

測量便攜式和空間受限設(shè)計的溫度、電壓、電流和其他信號時，ADC發(fā)揮著關(guān)鍵作用。嵌入式微控制器中的ADC有一個主要問題，線性度、偏移誤差、噪聲等關(guān)鍵直流性能規(guī)格常常沒有保證、未經(jīng)過測試甚至未列出。盡管微控制器的方框圖顯示，內(nèi)部有一個12位逐次逼近寄存器(SAR)ADC或一個16位增量累加ADC可選，但是設(shè)計師們卻要猜測其真正的性能有多好。

當(dāng)今的微控制器內(nèi)核集成了多種功能，包括數(shù)字時鐘、定時器、存儲器和幾百個寄存器。就確實含有ADC的微控制器而言，瀏覽冗長的數(shù)據(jù)表以確定ADC的性能是一個艱巨的任務(wù)。

進入實驗室以后，獲得好的ADC性能可能同樣艱巨。一個“16位ADC”用起來也許更像是一個10位或12位ADC。ADC的地和負基準(zhǔn)電源一般來自與微控制器其余部分共用和噪聲較大的基片。由于這些微控制器以數(shù)字優(yōu)化工藝制造，沒有為測量模擬信號而優(yōu)化，因此ADC的性能常常是事后考慮的。在微控制器內(nèi)部，沒有為實現(xiàn)良好ADC性能而進行最佳布線。不幸的是，ADC和其余電路共享一個公用的硅基片。

采用超纖巧封裝的16位ADC

凌力爾特公司提供的一個新ADC系列使設(shè)計師有可能不必在空間、性能和成本之間進行選擇。16位的LTC2450采用2mm×2mmDFN封裝，手工設(shè)計以實現(xiàn)卓越的直流模擬信號測量性能。LTC2450的線性度、偏移誤差和增益誤差都經(jīng)過測試，在整個工業(yè)溫度范圍內(nèi)有保證。這個ADC使得取代微控制器的嵌入式ADC很容易，而且?guī)缀醪徽加酶嗟碾娐钒蹇臻g。

是一個典型的印刷電路板，上面裝有FPGA、電源、微控制器和分立組件。利用這些組件的典型應(yīng)用包括光網(wǎng)卡、數(shù)據(jù)采集單元、服務(wù)器和很多其他設(shè)計。LTC2450的4mm2尺寸使它無需挪動周圍電路就能進行準(zhǔn)確的ADC測量，如測量溫度、電流、電壓或氣流等值。

雖然尺寸纖巧，但是LTC2450的增量累加ADC內(nèi)核具有16位無漏碼性能。積分非線性誤差(INL)的典型值為2LSB(最大值為10LSB)，增益誤差最大值為0.02％，這兩個值在整個工業(yè)溫度范圍內(nèi)(一40℃至+85＄)是有保證的。

LTC2450的DFN封裝上有6個引腳，包括：

·電源(V_cc)，偏置該ADC的內(nèi)部構(gòu)件，用作該ADC的正基準(zhǔn)電壓；

·輸入電壓連接(V_IN)；

·地電源(GND)，用作模擬和數(shù)字地以及該ADC的負基準(zhǔn)電壓。

·3個數(shù)字I/O引腳，一個串行時鐘輸入引腳(SCK)，一個串行數(shù)據(jù)輸出引腳(SDO)和一個芯片選擇/數(shù)據(jù)成幀引腳(CS)。

該ADC以16位分辨率測量OV至V_cc的單端輸入電壓。這種單端輸入架構(gòu)可以輕松測量多種傳感器信號，如壓力傳感器、熱敏電阻和熱電耦信號，這只是有限的幾個例子。LTC2450的尺寸使其能夠非常容易地取代微控制器中嵌入的ADC，所占用的總體電路板空間和成本預(yù)算只增加一點點。

圖2a中的圖釘指向LTC2450的模擬側(cè)(V_cc、V_INGND)。與封裝模擬側(cè)相對的是LTC2450的簡單串行接口，由典型的3線串行接口組成。芯片選擇、串行時鐘和數(shù)據(jù)輸出線控制單個輸出寄存器，以從ADC讀取數(shù)據(jù)。無需寫任何寄存器，也無需處理任何復(fù)雜的數(shù)據(jù)I/O。通過將芯片選擇線連接到地，這個ADC還提供兩線通信模式，以進一步節(jié)省電路板空間或?qū)崿F(xiàn)簡單的隔離。

圖2b所示是LTC2450的原理圖和周圍組件。LT6660-5)串聯(lián)基準(zhǔn)用電路板的主電壓作為基準(zhǔn)輸入電源，在基準(zhǔn)輸出端向LTC2450提供一個良好穩(wěn)定的低噪聲5V電源。與LTC2450一樣，LT6660也采用2mm×2mmDFN封裝，盡管只有3個引腳(IN、OUT、GND)在封裝的一側(cè)伸出來。這個串聯(lián)基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度為0.2％(最大值)，溫度系數(shù)為aoppm/℃，提供高達20mA的電流，這么大的電流足夠為該ADC供電。

取代較低分辨率的ADC和增益敬大器

除了使用微控制器中嵌入的ADC，空間受限應(yīng)用的設(shè)計師節(jié)省成本并隔離傳感器與ADC的另一種方法是使用低價、小型和低分辨率的ADC。通過放大來自傳感器的輸入(圖3a)，設(shè)計師們繞過了ADC的限制，放大來自傳感器的輸入還降低了所需的ADC分辨率并提高了傳感器的負載阻抗。

很多傳感器只輸出低激勵電壓，常常在10mV至100mV范圍內(nèi)。這些應(yīng)用需要能在這100mV的范圍內(nèi)分辨幾微伏或幾百微伏的差別。低激勵電壓可能非常接近地電平或地電平與正電源電壓之間的某個共模電壓。從這么小的傳感器輸出電壓范圍獲得最高分辨率是一個挑戰(zhàn)。增益系數(shù)每增加2，放大器輸出都提高2倍。這允許該ADC的分辨率為直接連接到傳感器上時所需分辨率的一半(這意味著你需要的ADC分辨率低一位)。

圖3a詳細說明了一種測量低壓傳感器的方法。放大器A1在信號進入12位ADC之前將信號放大16倍。這個放大器將ADC所需的靈敏度降低了16倍，或4位(2⁴)。因此圖3a中系統(tǒng)的分辨率與16位ADC直接連接到傳感器上的系統(tǒng)的分辨率是一樣的。假定傳感器輸出電壓的最大值為0.25V，那么放大器A1的輸出將高達4V。基于5V電源和單極性0V至5V輸入范圍，這個12位ADC現(xiàn)在可以利用80％的輸入范圍，而不是5％。

不過，使用放大器和較低分辨率的ADC有很多缺點。首先，通過放大器的偏移電壓(V_os)，誤差項直接加到了傳感器的測量值上。其次，增益設(shè)置電阻的容限是電路的另一個誤差源。這些誤差源可能迅速累積。

第三，放大器和增益電阻增大了總的解決方案尺寸。第四，設(shè)計師們必須意識到放大器輸入共模范圍和輸出擺幅的限制。換句話說，盡管放大器可能被標(biāo)成“軌至軌輸出”，但是視負載情況而定，輸出電壓與地電平或正電源電壓相差的值永遠不會在lmV至100mV的范圍。

凌力爾特公司的LTC2450允許設(shè)計師將高分辨率ADC直接連接到傳感器上(圖3b)，而不增加成本或犧牲隔離度。該ADC具有16位無漏碼性能，能以在圖3a中的12位ADC加上放大器A1組成的系統(tǒng)一樣有效的分辨率于傳感器的0.25V范圍內(nèi)進行測量。

除了能測量0.25V的低電壓傳感器信號，LTC2450的OV至V_cc輸入范圍還允許測量高達5V的單端信號。這允許該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器在寬輸入信號動態(tài)范圍內(nèi)輸出一個準(zhǔn)確的數(shù)字信號。由于去掉了放大器及其增益級，因此無需擔(dān)心V_OS電阻噪聲或容限問題。用于放大器和電阻的電路板空間不再需要了，匹配電阻與漂移組件的需求也沒有了。

傳感器阻抗

測量傳感器信號的設(shè)計師們面臨的另一個問題可能是傳感器阻抗，傳感器阻抗可能從幾Ω至幾kΩ或幾MΩ。大多數(shù)ADC的輸入架構(gòu)不是為準(zhǔn)確測量高阻抗傳感器的輸出而設(shè)計的，這迫使設(shè)計師們在傳感器和ADC之間插入緩沖器。你不得不再次擔(dān)心偏移誤差、電路板空間和緩沖器成本問題。

LTC2450的輸入架構(gòu)允許該ADC直接連接到阻抗高達幾kΩ的傳感器上，而不影響性能。假定ADC用5V電源，該16位ADC的每個最低有效位(LSB)將為5V/65，536(76μV)。LTC2450的輸入采樣電流極低，典型值僅為50nA。因此，準(zhǔn)確度降低未超過1LSB時，源阻抗可能高達1.5kΩ(76gV/50nA=1.5kΩ)。

就阻抗高于1.5kΩ的傳感器而言，圖3b所示電路能夠非常容易地修改，可以增加一個具有低偏置電流的放大器，如LTC6078，該器件在室溫時最大輸入偏置電流為1pA。一個這類的例子是pH值傳感器，其阻抗高于幾MΩ。假定傳感器的阻抗為5MΩ，放大器的輸入偏置電流為1pA，那么所產(chǎn)生的誤差為5gV(5MΩ×lpA)，這個誤差項在16位分辨率(76μV)時仍遠低于ILSB，這可以確保設(shè)計師從pH值傳感器獲得準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測量值。

增加緩沖放大器以后(圖4)，由于LTC2450的50nA低采樣電流，設(shè)計師現(xiàn)在還可以在ADC之前使用低通濾波器。放置在ADC之前的RC網(wǎng)絡(luò)極大地改善了系統(tǒng)的性能和易用性，同時提供低通和抗混疊濾波。電容器提供一個電荷庫，提供ADC的瞬時采樣電流，同時電阻隔離容性負載和放大器。

今天的大多數(shù)ADC都有高得多的采樣電流，這意味著與ADC輸入串聯(lián)的1kΩ電阻會引起直流誤差。

結(jié)語

隨著設(shè)計師們不斷嘗試在更小的空間中實現(xiàn)更多的功能并降低預(yù)算，他們面臨的難題也越來越多了。嵌入ADC的微控制器和其他低價、低分辨率ADC也許很容易用來監(jiān)視電壓、電流或溫度這類模擬信號，但是進一步研究會發(fā)現(xiàn)，誤差源和解決方案尺寸問題會累積，難以獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。

盡管縮小的設(shè)計從某些方面來看可能是好的，但是更小的集成電路封裝不總是等于更好的性能。微控制器面臨的一個問題是，隨著這類器件基于更精細的細線工藝采用更小的晶體管，制造商保持嵌入式ADC的性能也將會越來越困難。

LTC2450采用手工設(shè)計，為16位性能而優(yōu)化，在整個溫度范圍內(nèi)性能有保證，僅占用4mm²的電路板空間，該器件為取代嵌入式ADC或低分辨率ADC提供了一個簡單的解決方案。LTC2450的價格為1.15美元，如同用12位器件的價格獲得了16位分辨率。