Easy Drive技术革新高分辨率品ADC_瑞达电器资料网,华玉生活

引言

现在，已经有可能在不降低 DC 精度的情况下，将大型 RC 网络直接部署在高分辨率品ADC前端。LTC2480 系列转换器利用 Easy Drive 技术即可解决这个问题，Easy Drive 是一个完全无源取样网络，可以自动消除差分输入电流。由于片上缓冲器会影响性能，因此在Easy Drive技术中采用了一种新型架构，在输入RC 网络高达 100kW和 10mF时，该架构可以将满标度误差维持为0.002%。与之前的品 ADC相比，这项新技术具有众多的优势，例如它可以直接使高阻抗传感器数字化，具轨至轨共模输入范围，简单的外部低通滤波，易用的外部放大器接口，可消除遥感器传输线的影响，降低噪声和功耗，并能消除在ADC输入引脚中经常出现的取样尖峰和外部RC稳定误差等。

图 1 在现实环境中进行准确测试的实例

图 2 Easy Drive技术可在最差驱动条件下实现低噪声和低偏移性能

工作原理

品转换器可以将许多低分辨率转换器整合为一个高分辨率转换器。大部分商用品转换器是将几百甚至上千个 1 位转换器整合成一个 16、20 或 24 位转换器，显然，1 位转换器比 24 位转换器要容易实现得多。为了实现高分辨率，在转换周期中要对输入进行多次取样。

问题在于品转换器的输入结构是一个开关电容网络，电容要以高达10MHz的频率在输入、基准电压和地之间快速切换。当这些电容切换至ADC输入时，就会产生一个电流脉冲。在ADC的输入引脚可以观察到充电/放电脉冲图形，它是输入和基准电压的一项复杂函数。如果在每个取样阶段，外部 RC网络没有完全达到稳态，就会导致大的满标度误差。

解决这个问题的方法就是利用品转换器的超取样功能。每个取样基的前端电容开关与传统的品转换器取样是完全相同的。创新的前端取样架构能够控制电容阵列的切换方式。当计算整个转换周期时，总的差分输入电流为零，并与差分输入电压、共模输入电压、基准电压或输出代码无关。共模输入电流是恒定的，而且与输入共模电压和基准共模电压之间的差值成正比。

部署在品 ADC前端的 RC 网络可显著改善性能和易用性，而且可提供低通和抗混淆滤波处理。应用于 LTC2480 输入的外部 RC 网络仅仅是集成（平均）了ADC生成的输入电流尖峰。由于平均差分输入电流为零，如果ADC的加/减输入电阻平衡，外部 RC 网络的满标度误差也为零。在ADC的前端加上100kW的电阻和10mF的电容器可以使满标度误差不超过 0.002%，而具有同样输入网络的传统品 ADC的满度误差则超过了10%（100,000 ppm）。此外，只要共模输入电压等于共模基准电压，即使当外部电阻不平衡时也不会产生错误。如果共模输入电压不等于共模基准电压，差分输入电流也将保持为零，由于偏移电压而产生的共模输入电流可以在系统的校准过程中消除。

如今，对阻抗高达 100kW的外部传感器直接数字化，无需外部或片上放大器就可实现。电桥、RTD、热电偶和其他传感器可以直接与ADC输入端连在一起。增设外部电容可减小 ADC 输入端所承受的充电回冲尖峰，1个1mF的外部电容可以将 1V 的尖峰降至 18mV。这改善了那些不能将传感器布设在ADC输入端附近的系统的噪声性能，并可使采用了外部放大器的应用中的驱动要求有所放松。在放大器输出和ADC输入之间增加一个大电阻可将放大器与大旁路电容隔离开，从而提高稳定性。

Easy Drive 技术的实际应用

高性能数据采集系统设计师所面临的一个问题是要在现实环境中实现数据手册中指定的性能。品 ADC相对于同类产品的优势在于片上数字滤波（噪声抑制），缺点则在于品 ADC架构中固有的驱动需求。采用Easy Drive技术可以解决这一问题，下面将通过一个实际的测试例子来说明Easy Drive 技术的优点，如图1所示。

偏移、噪声、线性的准确测量都是在极端的测试条件下进行的。远程传感器通过100米的电缆连接在电阻精度为 1%的 RC 网络上实现数字化。远程传感器电压的摆幅为 0~20mV，测量到的线性度低于1ppm。噪声为 650nV RMS，偏移量低于 5mV，如图2所示。

基本上，直接连接到长电缆和低精度 RC 网络的过取样数据转换器（品 ADC）会导致很多问题，如传输线效应、噪声和DC 稳定误差等，从而严重影响系统的准确性。

品 ADC的取样网络将高频率电流注入电缆中，引起电压尖峰，从而产生极大的噪声，降低了系统准确性。这个问题可以通过在ADC的输入端加一个旁路电容来解决。该电容作为ADC采样网络的电荷储存器，根据内部采样电容与外部旁路电容的比，能够减小电压尖峰。1个 1mF的旁路电容可以将取样网络生成的电压尖峰减小为原来的1/50000 ，足以达到数据手册所标注的噪声和精度。

增加大的外部旁路电容会导致输入稳定误差。通常24 位高分辨率的品 ADC每隔10ms 取样1次。为了用一个 1mF 的旁路电容器进行完全设置，电阻必须低于 1W。由于整个转换周期中充电稳定误差的累积，大于 1W的电阻会导致偏置和满标度误差。Easy Drive 技术可自动消除此误差的差分部分，剩余的共模误差也可被减小为一个固定的偏移量，它是 ADC 正负输入端上的外部电阻匹配的函数。在这个例子中，具有 1% 精度的 1kW外部电阻会导致 3.5mV 的偏移量，而线性和噪声不受影响。

第三个问题是噪声抑制。在一个噪声极大的环境中，信号通路为一条连接到低电压源的100 米电缆。线频率噪声通过片上数字滤波器得到抑制，保证了片上振荡器的高精度。采用由输入旁路电容和外部电阻组成的外部低通滤波器，可抑制高频噪声。

结语

Easy Drive 技术简化了品 ADC的驱动要求。该解决方案基于纯被动的输入电流取消算法，能够在不增加片上缓冲放大器的情况下实现轨至轨输入，从而避免了附加的功率要求和误差。Easy Drive 技术使品 ADC可以直接连接高阻抗传感器、低通滤波器和旁路输入电容器，而不会影响 DC 的性能。