當今的電子產(chǎn)品總是希望尺寸越小越好。從占據(jù)整個房間的服務器系統(tǒng)到能方便地裝進衣服口袋的消費電子產(chǎn)品，設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。能夠讓完整的比同類方案小 10% 到 20% 的設計師有更大的機會贏得設計訂單。纖巧的集成電路是從大到小各種產(chǎn)品設計的關(guān)鍵。

這類便攜式和空間受限的產(chǎn)品設計中包括電源、微控制器、、、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等電路。專用集成電路()中已經(jīng)納入了很多上述功能，取得了不同程度的成功。設計師在空間、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 和前置電路。

測量便攜式和空間受限設計的溫度、電壓、電流和信號時，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，但是設計師們卻要猜測其真正的性能有多好。

當今的微控制器內(nèi)核集成了多種功能，包括數(shù)字時鐘、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。

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×2mm DFN 封裝，手工設計以實現(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。

圖 1 所示是一個典型的印刷電路板，上面裝有 、電源、微控制器和分立組件。利用這些組件的典型應用包括光網(wǎng)卡、數(shù)據(jù)采集單元、服務器和很多設計。LTC2450 的 4mm2尺寸使它無需挪動周圍電路就能進行準確的 ADC 測量，如測量溫度、電流、電壓或氣流等值。

圖 1 2mm x 2mm ADC LTC2450 用于空間受限應用

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 2 LSB(最大值為 10 LSB)，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)(-40℃至 +85℃)是有保證的。

LTC2450 的 DFN 封裝上有 6 個引腳，包括：

*電源(VCC)，偏置該 ADC 的內(nèi)部構(gòu)件，用作該 ADC 的正基準電壓；

*輸入電壓連接(VIN)；

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

*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()。

該 ADC 以 16 位分辨率測量 0V 至 VCC 的單端輸入電壓。這種單端輸入架構(gòu)可以輕松測量多種信號，如壓力、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算只增加一點點。

圖 2a 中的圖釘指向 LTC2450 的模擬側(cè)(VCC、VIN、GND)。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2a LTC2450的演示電路板

圖 2b 所示是 LTC2450 的原理圖和周圍組件。LT6660-5)串聯(lián)基準用電路板的主電壓作為基準輸入電源，在基準輸出端向 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×2mm DFN 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)基準的準確度為 0.2%(最大值)，溫度系數(shù)為 10ppm/℃，提供高達 的電流，這么大的電流足夠為該 ADC 供電。

圖2b LT6660基準向LTC2450提供一個低功率、低噪聲的5v電源

取代較低分辨率的 ADC 和增益

除了使用微控制器中嵌入的 ADC，空間受限應用的設計師節(jié)省成本并隔離與 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 至 范圍內(nèi)。這些應用需要能在這 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?；?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(VOS)，誤差項直接加到了傳感器的測量值上。其次，增益設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尺寸。第四，設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 1mV 至 的范圍。

凌力爾特公司的 LTC2450 允許設計師將高分辨率 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 0V 至 VCC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，因此無需擔心 VOS、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。

圖 3 圖 3a 所示是一個低壓傳感器，用增益為 16 的放大器提高進入 12 位 ADC 的電壓值。在圖 3b 中，無需放大器或匹配的 0.1% 增益設置電阻，16 位分辨率的 LTC2450 具有與圖 3a 系統(tǒng)相同的分辨率

傳感器阻抗

測量傳感器信號的設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)不是為準確測量高阻抗傳感器的輸出而設計的，這迫使設計師們在傳感器和 ADC 之間插入緩沖器。你不得不再次擔心偏移誤差、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(76mV)。LTC2450 的輸入采樣電流極低，典型值僅為 50nA。因此，準確度降低未超過 1LSB時，源阻抗可能高達 1.5kW(76mV/50nA=1.5kW)。

就阻抗高于 1.5kW 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 ，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 MW。假定傳感器的阻抗為 5MW，放大器的輸入偏置電流為 1pA，那么所產(chǎn)生的誤差為 5mV(5MW×1pA)，這個誤差項在 16 位分辨率(76mV)時仍遠低于 1LSB，這可以確保設計師從 pH 值傳感器獲得準確、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，設計師現(xiàn)在還可以在 ADC 之前使用低通。放置在 ADC 之前的 RC 網(wǎng)絡極大地改善了系統(tǒng)的性能和易用性，同時提供低通和抗混疊濾波。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。

圖 4 通過增加外部緩沖器和低通，LTC2450 可以非常容易地測量阻抗大于 1.5kΩ 的傳感器信號

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算，他們面臨的難題也越來越多了。嵌入 ADC 的微控制器和低價、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)，誤差源和尺寸問題會累積，難以獲得準確的讀數(shù)。

盡管縮小的設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。