精准型工业系统要求新的数据转换准确度水平

引言

许多工业系统都需要以最高的准确度来测量关键性的参数。实例包括地震监测、能源勘探、气流感测和硅晶圆制造等。在每种场合中，这些系统均拓展了尖端信号处理技术的界限并要求 ppm 的准确度。此类系统的设计高度精细复杂，并内置了宽动态范围传感器、高阶控制环路和最高性能的集成电路组件。

很多精准型工业系统的核心部分都是一个模数转换器 (ADC)。该 ADC 扮演着至关重要的角色，其负责把模拟信号变换为数字信号以进行数字信号处理。ADC 的准确度和性能常常决定了整体系统的准确度和性能。本文将讨论突破性的数据转换性能是怎样实现更高准确度和更低成本的新一代工业系统。

精准型工业系统要求

精准型工业系统需要采用高分辨率 ADC 以对实际的模拟信号进行数字化处理。模拟信号链路包括 ADC 和支持信号调理电路 (例如：放大器、滤波器和基准)，通常需要具备卓越的 DC 规格指标 (例如：偏移、增益和线性度)。

为了实现 ppm 级的分辨率和准确度，许多精准型工业系统实施了数字校准，旨在清除任何的系统级偏移和增益误差。因此，系统准确度经常受限于那些无法利用偶尔校准而加以抑制的误差，而且系统设计师或许更加关注重要参数的潜在漂移，而不是其静态值。例如：精准型系统有可能不仅需要在某一固定温度下拥有 ppm 级的准确度，而且还要求在很宽的工作温度范围内实现低于ppm/°C 的漂移准确度。

对于整体系统准确度来说，ADC 的线性度是最让人关切的。ADC 线性度由模拟输入信号与 ADC 的内部设计及架构之间的复杂相互作用所决定。ADC 非线性误差极其难以在系统级上进行校准，因为此类误差在各数字代码之间差别迥异，而且还因为它们可能是温度的一个强函数。整个温度范围内的 ADC 线性度和稳定性对于精准型系统的总体准确度是极为重要的。

突破性的性能

为了应对这些设计挑战，一个新的 20 位 SAR ADC 系列提供了前所未有的性能和准确度水平，从而简化了高精度工业系统的设计。LTC2378-20 是一个引脚和软件兼容型 SAR ADC 系列的旗舰产品，其具有高达 20 位的无漏失码分辨率和高达 104dB 的信噪比 (SNR)，采样速率范围为 250ksps 至 2Msps。LTC2378-20 的 DC 精度尤其令人印象深刻：ADC 积分非线性 (INL) 误差通常小于 0.5ppm，并且在整个工作温度范围内 (-40°C 至 +85°C) 保证小于 2ppm (对于所有代码)。最大偏移误差为 13ppm (具 0.007ppm/°C 漂移)，增益误差为 10ppm (具 0.05ppm/°C 漂移)。这种异乎寻常的性能水平是在非常低的操作功耗下实现的，功耗范围从 5.3mW (在250ksps) 到 21mW (在 1Msps)。每款器件都可提供小型 MSOP-16 封装和 DFN-16 封装。图 1 汇总了这个新的 ADC 系列。

图 1：完整的 20 / 18 / 16 位引脚兼容型 SAR ADC 系列

SAR ADC 的特性

SAR ADC 的特征是其在模拟输入信号时获得精准瞬像以及在单个时钟周期之内完成一项模数转换操作的能力。SAR ADC 以执行异步 “启动并运行” 操作见长，而且它们由于能够在同一个时钟周期内立即获得转换结果而具备了简单易用的特点。在没有周期延迟的情况下产生准确转换结果 (即使在经历了漫长的空闲周期之后也是如此) 的能力使得 SAR ADC 成为众多精准型应用的理想选择，包括传感器、控制环路、数据采集和自动化测试设备。其他类型的 ADC (例如：ΔΣ ADC 和流水线型 ADC) 则需要多个时钟周期来完成单个转换。