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(多图) 用16位ADC取代低性能嵌入式数据转换器

2008年09月05日 ?? 收藏0

  当今的电子产品总是希望尺寸越小越好。从占据整个房间的服务器系统到能方便地装进衣服口袋的消费电子产品,设计师们不断寻求实现最小的外形尺寸,在更小的空间中实现更多的功能。能够让完整的解决方案比同类方案小 10% 到 20% 的设计师有更大的机会赢得设计订单。纤巧的集成电路是从大到小各种产品设计的关键。

  这类便携式和空间受限的产品设计中包括电源、微控制器、MOSFET、放大器、数据转换器等电路。专用集成电路(ASIC)中已经纳入了很多上述功能,取得了不同程度的成功。设计师在空间、性能和成本之间进行平衡取舍时,一个可能影响测量效果的环节是模数转换。设计师们常常使用微控制器和集成式 ADC或较低分辨率的 ADC 和前置放大器电路。

  测量便携式和空间受限设计的温度、电压、电流和其他信号时,ADC 发挥着关键作用。嵌入式微控制器中的 ADC 有一个主要问题,线性度、偏移误差、噪声等关键直流性能规格常常没有保证、未经过测试甚至未列出。尽管微控制器的方框图显示,内部有一个12 位逐次逼近寄存器(SAR)ADC 或一个 16 位增量累加 ADC 可选,但是设计师们却要猜测其真正的性能有多好。

  当今的微控制器内核集成了多种功能,包括数字时钟、定时器、存储器和几百个寄存器。就确实含有 ADC 的微控制器而言,浏览冗长的数据表以确定 ADC 的性能是一个艰巨的任务。

  进入实验室以后,获得好的 ADC 性能可能同样艰巨。一个“16 位 ADC”用起来也许更像是一个 10 位或 12 位 ADC。ADC 的地和负基准电源一般来自与微控制器其余部分共用和噪声较大的基片。由于这些微控制器以数字优化工艺制造,没有为测量模拟信号而优化,因此 ADC 的性能常常是事后考虑的。在微控制器内部,没有为实现良好 ADC 性能而进行最佳布线。不幸的是,ADC 和其余电路共享一个公用的硅基片。

  采用超纤巧封装的 16 位 ADC

  凌力尔特公司提供的一个新 ADC 系列使设计师有可能不必在空间、性能和成本之间进行选择。16 位的 LTC2450 采用 2mm×2mm DFN 封装,手工设计以实现卓越的直流模拟信号测量性能。LTC2450 的线性度、偏移误差和增益误差都经过测试,在整个工业温度范围内有保证。这个 ADC 使得取代微控制器的嵌入式 ADC 很容易,而且几乎不占用更多的电路板空间。

  图 1 所示是一个典型的印刷电路板,上面装有 FPGA、电源、微控制器和分立组件。利用这些组件的典型应用包括光网卡、数据采集单元、服务器和很多其他设计。LTC2450 的 4mm2尺寸使它无需挪动周围电路就能进行准确的 ADC 测量,如测量温度、电流、电压或气流等值。

2mm x 2mm ADC LTC2450 用于空间受限应用

图 1? 2mm x 2mm ADC LTC2450 用于空间受限应用

  虽然尺寸纤巧,但是 LTC2450 的增量累加 ADC 内核具有 16 位无漏码性能。积分非线性误差(INL)的典型值为 2 LSB(最大值为 10 LSB),增益误差最大值为 0.02%,这两个值在整个工业温度范围内(-40℃至 +85℃)是有保证的。

  LTC2450 的 DFN 封装上有 6 个引脚,包括:

  •   电源(VCC),偏置该 ADC 的内部构件,用作该 ADC 的正基准电压;
  •   输入电压连接(VIN);
  •   地电源(GND),用作模拟和数字地以及该 ADC 的负基准电压。
  •   3 个数字 I/O 引脚,一个串行时钟输入引脚(SCK),一个串行数据输出引脚(SDO)和一个芯片选择/数据成帧引脚()。

  该 ADC 以 16 位分辨率测量 0V 至 VCC 的单端输入电压。这种单端输入架构可以轻松测量多种传感器信号,如压力传感器、热敏电阻和热电耦信号,这只是有限的几个例子。LTC2450 的尺寸使其能够非常容易地取代微控制器中嵌入的 ADC,所占用的总体电路板空间和成本预算只增加一点点。

  图 2a 中的图钉指向 LTC2450 的模拟侧(VCC、VIN、GND)。与封装模拟侧相对的是 LTC2450 的简单串行接口,由典型的 3 线串行接口组成。芯片选择、串行时钟和数据输出线控制单个输出寄存器,以从 ADC 读取数据。无需写任何寄存器,也无需处理任何复杂的数据 I/O。通过将芯片选择线连接到地,这个 ADC 还提供两线通信模式,以进一步节省电路板空间或实现简单的隔离。

LTC2450的演示电路板

 图2a LTC2450的演示电路板

  图 2b 所示是 LTC2450 的原理图和周围组件。LT6660-5)串联基准用电路板的主电压作为基准输入电源,在基准输出端向 LTC2450 提供一个良好稳定的低噪声 5V 电源。与 LTC2450 一样,LT6660 也采用 2mm×2mm DFN 封装,尽管只有 3 个引脚(IN、OUT、GND)在封装的一侧伸出来。这个串联基准的准确度为 0.2%(最大值),温度系数为 10ppm/℃,提供高达 20mA 的电流,这么大的电流足够为该 ADC 供电。

LT6660基准向LTC2450提供一个低功率

图2b LT6660基准向LTC2450提供一个低功率、低噪声的5v电源


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