精準型工業系統要求新的數據轉換準確度水平

引言

許多工業系統都需要以最高的準確度來測量關鍵性的參數。實例包括地震監測、能源勘探、氣流感測和硅晶圓制造等。在每種場合中，這些系統均拓展了尖端信號處理技術的界限并要求 ppm 的準確度。此類系統的設計高度精細復雜，并內置了寬動態范圍傳感器、高階控制環路和最高性能的集成電路組件。

很多精準型工業系統的核心部分都是一個模數轉換器 (ADC)。該 ADC 扮演著至關重要的角色，其負責把模擬信號變換為數字信號以進行數字信號處理。ADC 的準確度和性能常常決定了整體系統的準確度和性能。本文將討論突破性的數據轉換性能是怎樣實現更高準確度和更低成本的新一代工業系統。

精準型工業系統要求

精準型工業系統需要采用高分辨率 ADC 以對實際的模擬信號進行數字化處理。模擬信號鏈路包括 ADC 和支持信號調理電路 (例如：放大器、濾波器和基準)，通常需要具備卓越的 DC 規格指標 (例如：偏移、增益和線性度)。

為了實現 ppm 級的分辨率和準確度，許多精準型工業系統實施了數字校準，旨在清除任何的系統級偏移和增益誤差。因此，系統準確度經常受限于那些無法利用偶爾校準而加以抑制的誤差，而且系統設計師或許更加關注重要參數的潛在漂移，而不是其靜態值。例如：精準型系統有可能不僅需要在某一固定溫度下擁有 ppm 級的準確度，而且還要求在很寬的工作溫度范圍內實現低于ppm/°C 的漂移準確度。

對于整體系統準確度來說，ADC 的線性度是最讓人關切的。ADC 線性度由模擬輸入信號與 ADC 的內部設計及架構之間的復雜相互作用所決定。ADC 非線性誤差極其難以在系統級上進行校準，因為此類誤差在各數字代碼之間差別迥異，而且還因為它們可能是溫度的一個強函數。整個溫度范圍內的 ADC 線性度和穩定性對于精準型系統的總體準確度是極為重要的。

突破性的性能

為了應對這些設計挑戰，一個新的 20 位 SAR ADC 系列提供了前所未有的性能和準確度水平，從而簡化了高精度工業系統的設計。LTC2378-20 是一個引腳和軟件兼容型 SAR ADC 系列的旗艦產品，其具有高達 20 位的無漏失碼分辨率和高達 104dB 的信噪比 (SNR)，采樣速率范圍為 250ksps 至 2Msps。LTC2378-20 的 DC 精度尤其令人印象深刻：ADC 積分非線性 (INL) 誤差通常小于 0.5ppm，并且在整個工作溫度范圍內 (-40°C 至 +85°C) 保證小于 2ppm (對于所有代碼)。最大偏移誤差為 13ppm (具 0.007ppm/°C 漂移)，增益誤差為 10ppm (具 0.05ppm/°C 漂移)。這種異乎尋常的性能水平是在非常低的操作功耗下實現的，功耗范圍從 5.3mW (在250ksps) 到 21mW (在 1Msps)。每款器件都可提供小型 MSOP-16 封裝和 DFN-16 封裝。圖 1 匯總了這個新的 ADC 系列。

圖 1：完整的 20 / 18 / 16 位引腳兼容型 SAR ADC 系列

SAR ADC 的特性

SAR ADC 的特征是其在模擬輸入信號時獲得精準瞬像以及在單個時鐘周期之內完成一項模數轉換操作的能力。SAR ADC 以執行異步 “啟動并運行” 操作見長，而且它們由于能夠在同一個時鐘周期內立即獲得轉換結果而具備了簡單易用的特點。在沒有周期延遲的情況下產生準確轉換結果 (即使在經歷了漫長的空閑周期之后也是如此) 的能力使得 SAR ADC 成為眾多精準型應用的理想選擇，包括傳感器、控制環路、數據采集和自動化測試設備。其他類型的 ADC (例如：ΔΣ ADC 和流水線型 ADC) 則需要多個時鐘周期來完成單個轉換。