基于一款带缓冲的 8 通道 ADC 输入简化传感器接口设计

从工业过程控制到高端测试和测量系统的广泛应用中,精准模数转换器是真实世界信号与现代数字信号处理功能电路之间的关键使能接口。

从工业过程控制到高端测试和测量系统的广泛应用中,精准模数转换器是真实世界信号与现代数字信号处理功能电路之间的关键使能接口。然而令人遗憾的是,把传感器或其他信号源连接至转换器并获得数据转换器产品广告中宣称的所有性能并不是那么容易。常常需要用于提供缓冲、电压保护或其他功能的附加电路,要在获取所要求性能的情况下实现这些目标是颇具挑战性的工作。对此,本文将以ADI公司的新型 LTC2358 8 通道 ADC 的集成化微微安培输入模拟缓冲器,看如何提供一种简化这些难题的电路设计方法。

 

 不需要缓冲器直接连接,逐次逼近型寄存的ADC

18 位 8 通道同时采样器逐次逼近型寄存 (SAR) ADC LTC2358具集成的微微安培输入缓冲器。在电路板空间稀缺的现状下,LTC2358 通过去掉通常在驱动非缓冲型开关电容器 ADC 输入时所需的前端信号调理电路,显着地节省了空间和成本。每个通道合起来节省了 3 个放大器、6 个电阻器和两个电容器组件,8 个通道总共可节省 88 个组件,从而节省了 BOM 成本和大量电路板空间,并使功耗降低超过 40%。

在以每通道200ksps的吞吐速率对8个通道进行转换的同时,LTC2358-18还通过独立可配置的SoftSpan™输入范围提供更大的灵活性。每个通道可在逐次转换的基础上设定为接受 ±10.24V、0V 至 10.24V、 ±5.12V 或 0V 至 5.12V 的单极性、真正双极性、全差分或任意输入信号。差分模拟输入在 30V 宽输入共模范围内运行,从而允许该ADC直接数字化各种信号,同时简化信号链路设计


LTC2358-18采用了具20ppm/℃最大温度系数的精确内部基准和一个能够准确进行单次测量的集成式基准缓冲器,从而在密集排列的电路板上节省了空间。可选外部 5V 基准以将模拟输入范围扩大至 ±12.5V。当以每通道 200ksps 同时地对 8 个通道进行转换时,该器件消耗 219mW,LTC2358-18 还具备打盹模式和断电模式,以在较低吞吐速率时降低功耗。

除了独特的模拟特性,LTC2358-18 还具有数字灵活性,具备引脚可选的 SPI CMOS 和 LVDS 串行接口。宽数字输出电源范围允许该器件与 1.8V至5V的任何 CMOS 逻辑电路通信。在CMOS模式,应用可以运用1至8个串行输出数据线道,从而使用户能够优化总线宽度和数据吞吐量。LVDS 模式使用差分信号,在更长的距离上提供低噪声、高速通信。总之,这些 I/O 接口选项使 LTC2358-18 能够同样好地与传统控制器和现代 FPGA 通信。

本质上,LTC2358 吸收了LTC2348 8 通道逐次逼近型 ADC 领先的性能和超群的灵活性,并增添了高性能 FET 输入缓冲。 LTC2348具有出色的性能和任意输入测量能力,是众多高电压应用之绝佳选择,而LTC2358 同样拥有这些优势和几乎相同的性能。本文将着重介绍其缓冲输入可改善您系统的几种简单方法。

 

传感器信号连接,从这些例子来看看这些特性福利

许多传感器,甚至那些具有输出的缓慢或精细传感器,可简单地直接连接至 LTC2358,并不需要任何中间信号调理。以前,一个 8 通道 ADC 或许需要采用 4 个像这样的双通道高电压运放来提供缓冲 … 而现在,LTC2358 通过免除这些运放大幅度节省了电路板面积和功率。

此类传感器直接连接的一个例子是这里所示的简单热敏电阻电路,其可在 ADC 上产生一个与热敏电阻和上方的固定电阻之比有关的电压。

请注意,把电阻器的顶端连接至 ADC 基准可确保一个准确的比例,即使在基准发生漂移时也不例外。当选择热敏电阻时,低电阻值在热敏电阻中导致较大的功耗,因而会损害测量准确度。另一方面,采用高电阻值热敏电阻时的准确度则需要进行非常高输入阻抗测量。

这里,LTC2358 的纯电容性输入“发光”了,可在采用一个 20kΩ 阻性元件时提供优良的准确度。

LTC2358 的高采样速率和低噪声允许采用一个与热敏电阻并联的开关实现进一步的改善。当该开关导通时,热敏电阻中无功耗,因此它将处于环境温度水平。当需要进行温度测量时,该开关短暂地断开,测量随后不到 1ms 即可完成,因此热敏电阻器没有时间使自身发热。


上面这幅曲线图显示了能以多快的速度完成一次准确的测量,以及在转换操作持续 100ms (远超所需的时间) 时测量误差的增加情况。这个简单的例子说明了在一个传感器和LTC2358 之间实现连接是多么容易,不过缓冲器还可在其他方面有所帮助。

把我们的讨论重点稍作改变,缓冲输入还使得可容易地设计一个能够干净和透明地处理超范围信号的系统,不管它们是作为正常运行方式的一部分、抑或是某种系统故障情况出现。超范围 ADC 输入信号的出现有很多原因。有时它们就像把一个 2kg 物体放在一台 1kg 秤上那么明显,或者,它们也可能源于出故障的传感器、电源或配线。这些状况造成的后果是,在最好情况下会是一种干扰,而在最坏情况下则会损害性能。


LTC2358 有助简化构建能承受超范围信号的高性能系统。这根彩条以图形化的方式显示了在各种不同输入电压条件下 LTC2358 的预期运行方式。

首先,当模拟输入电压超过其编程全标度时,ADC 不成问题。例如,若一个输入是针对 0V 至 5V 操作配置,但系统施加了 10V 或任何高达高电压电源差的电压,则转换器简单地报告一个饱和全标度值。其他通道上的转换结果仍然是准确的,而且功耗并未增加。

在更严重的场合,输入可能会被驱动至超过高电压电源。例如,假如一个采用 40V电压供电的放大器驱动 ADC,则在某种异常情况下该放大器或许会试图把一个输入驱动至 40V。


内部二极管把模拟输入箝位至高电压电源,因此很有必要限制电流以避免损坏器件或其他电路。LTC2358 能容许引脚电压被拉至超过其电源并具有高达 10mA 电流而无忧,所以简单地布设一个与输入相串联的 2.5kΩ 电阻器就能允许杂散输入信号走至 40V。

ADC 的高阻抗输入可确保该串联电阻在电路正常工作时不会造成性能下降,而且高达 40V 的电压不会在其他 ADC 通道上导致准确度受影响。把输入拉至负电源以下 (低至 –40V) 也不会导致损坏,但是将使其他通道上的准确度下降。如果超过这些限值,则 ADC 和电阻器中的功耗存在损坏器件的风险。

对于其他可行的过驱动范围可采用其他的电阻器阻值,并记住 10mA 的电流限值。例如,一个 10kΩ 电阻器将允许施加 100V。请注意,在 10kΩ 电阻器两端施加 100V 电压时的功耗为 1W,故需采用一个较高功率电阻器,但是解决方案仍然极为简单和坚固。

至此,本文举了几个例子说明可以怎样取消或简化位于 ADC 前面的电路。

另外,还可采用一些利用其极低输入电流和宽共模范围的更具创造性之方式把 LTC2358 集成到感测系统之中。模拟输入电流完全由结漏决定,而且在室温下通常小于 10pA。这种低输入电流意味着 LTC2358 可与极低水平的电流信号 (光电二极管的典型特征) 一起使用。光电二极管是反向偏置二极管,专为传导由二极管上的光照水平所决定的少量电流而设计。

接着,这个小电流信号通常由像这样一个跨阻抗运放电路转换为一个电压,于是运放的输出电压与二极管电流成比例,并且可以由一个 ADC 进行数字化处理。由于光电二极管是反向偏置二极管,因此其看似一个极高的电阻,而且以高准确度测量其电流要求任何连接至它的组件必需具有极低的输入电流。


因此,所示的运放通常必须是一个 FET 输入运放。不幸的是,FET 运放的输入失调电压通常不是很好,因而会影响输出电压的准确度。然而,LTC2358 能够完成差分测量,因此可将其连接以测量电阻器两端的电压,而不是在运放的输出端上进行测量。这种连接消除了运放失调的影响和测量中的低频噪声。

这里重要注意的是,该电路的正常运作全因 LTC2358 本身具有非常低的输入电流,在室温下通常仅为几 pA,所以它可以合理地直接连接至光电二极管,并不会干扰测量。该光电二极管电路只是利用 LTC2358 的缓冲输入得以实现的广泛应用和电路的一个例子。


还有更多例子,采用低功率运放来设计模拟信号滤波器和接口的工作也将大为简化。添加这功能到简单的过驱动坚固性、直接传感器连接和出众的原生性能,使得 LTC2358 成为适用于众多多通道系统的卓越解决方案。


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