原创 利用低噪声高精度模数转换器LTC2440测量低电平信号

利用低噪声高精度模数转换器LTC2440测量低电平信号

作者：Michael Mayes，设计工程师，凌特公司

测量低电平小信号时通常需要可编程增益放大器对信号进行放大，但它会引入误差并增加系统成本与复杂性。本文介绍一种低噪声高精度Δ-Σ模数转换器，它可以直接接在传感器上，从而简化了系统设计，并降低整体成本。

可编程增益放大器(PGA)通常用于小信号输入系统(RTD、热电偶、张力计等)，这些系统需要一个输入范围宽的模数转换器，通常要放大传感器的输出电压，使其与ADC输入范围相称。ADC产生的输入噪声通过PGA增益会减弱，不过系统性能主要由PGA噪声性能以及它的偏置电压、满量程和线性性能决定。PGA会引入附加误差、漂移、增加成本并使电路复杂而降低系统的性能，此外，还需要调节传感器的失调/清零电压，防止产生放大器输出饱和及ADC输入溢出现象。因为PGA用来减低模数转换器产生的噪声，所以如果ADC噪声足够低，可以不用PGA，也就不必考虑它带来的不良影响。

如果不用PGA(及清零调节)，就要求转换器具备极佳的偏置、线性度、满量程精确度、漂移及噪声性能，转换器应该在输入满量程范围内有足够的分辨率，以便在大幅减少的输入范围保持高分辨率。这样，设计人员可以将传感器直接接在ADC上，只用到转换器一小部分输入范围，因而极大简化了模拟前端。通常整个输出范围的刻度数量决定了性能，刻度数可通过用传感器满量程输出电压除以模拟前端RMS噪声来决定。

LTC2440是一种新型Δ-Σ转换器架构，它与现有产品线管脚及时钟频率完全兼容。可编程过取样比(OSR)允许用户根据不同的应用调节速度和分辨率，通过一个简单的串行接口在6.9Hz/24.6位到3.5kHz/17位的十种速度/分辨率组合中进行选择(图1)。由于数字滤波器不会产生延时，因此转换器对选择的速度或外部输入信道于转换之间的变化做出反应时不会出现误差。

该ADC可在±2.5V输入范围(200nV_RMS)提供2,500万刻度或在±50mV输入范围提供50万刻度(与感应器偏置/清零电压无关)，具有极低的噪声，可以无需复杂的可编程增益放大器(PGA)。由于它的准确性(5ppm INL，1ppm偏置，10ppm满量程，都与输出速率无关)与灵活的输入范围(共模输入的GND对V_CC与V_REF无关)，极大简化了模拟前端电路。

运行在6.9Hz时，LTC2440的RMS在±2.5V输入范围具有200nV噪声水平，相当于2,500万个刻度，其优越的噪声性能使用户能以50万个刻度进行一次转换(不需要均分)，在±50mV范围内不会产生DC误差(图2)。由于LTC2440不需要PGA，可以维持很大的输入范围，因此很容易解决传感器的偏置电压和清零电压问题。它的偏置电压误差小于5μV，且与温度无关，满量程漂移在0.003%以内，小于0.2ppm/℃。极好的DC性能使其不需要外部的系统校准，可编程OSR使系统平滑改变转换率而不降低DC性能。运行在880Hz时，LTC2440在同样±50mV的范围内可以维持大约5万个刻度，然后OSR可在下一个转换时变为6.9Hz，精度不会受到影响(图3)。

输入抑制

高分辨率Δ-Σ ADC的共同特点是有一个片上数字低通滤波器，该滤波器对内部调节器取样率具有极好的抑制作用。在内部调节器取样率倍频处，令人讨厌的输入扰动几乎没有衰减就折回到DC部分(即混叠)。Δ-Σ转换器以输出速度的倍数对输入取样，这个倍数通常称为过取样比(OSR)。由于OSR通常很大(≥64)，因此数字滤波器可以对输入噪声源提供极好的抑制作用，并简化抗混叠要求。

通常高分辨率Δ-Σ ADC工作时的OSR固定在64到256之间，为了使这些器件能抑制50Hz与60Hz线路频率，调制器的取样率F_SAMPLE规定在线路频率的64至256倍(3.8kHz至15.3kHz)之间，加在输入端频率为F_SAMPLE的噪声混叠回到DC端会产生误差。对于给定的抑制频率，当OSR增加时，F_SAMPLE也会增加，从而降低抗混叠要求。

LTC2440内部取样时钟(F_SAMPLE)固定为1.8MHz，与输出速度无关。为了改变输出速度，需要改变内部OSR。当LTC2440运行在6.9Hz时，数字滤波器同时抑制50Hz和60Hz频率，此时OSR也很高(32,768)。取样率为1.8MHz时，与传统运行在较低OSR的转换器相比，LTC2440可提供更多抑制和更为简易的抗混叠。

出厂时已调好的片上振荡器运行在9MHz，F_SAMPLE设定在1.8MHz。如果在器件上增加一个外部振荡器，片上振荡器就可以忽略。假如外部振荡器设定为90kHz，内部取样率就减少为18kHz。当内部取样率是通常Δ-Σ转换器的倍数时，它会在60Hz提供大的输入抑制，LTC2440能够将频率抑制降到0.6Hz，这使得低通滤波器要求根本无法达到，需要外部电阻为兆欧级或电容为法拉级。除0.6Hz以上的抑制外，LTC2440前端模拟电路还含有一个断路器，它可以滤掉甚低频1/f噪声及偏置飘移。在上述条件下，LTC2440可以在噪声很大的环境下精确测量DC电压。

一个实际应用的例子是测量分流电阻的DC电流，任何0.6Hz以上直到采样速率的噪声都被抑制至少120dB。由于OSR很大(32,768)，所以抗混叠要求比较简单。如果Δ-Σ转换器采用低OSR数字滤波器在低于150Hz处对输入取样，抗混叠将极其困难。

由于外部振荡器运行在100kHz，又有很高的OSR，LTC2440在输入为±2.5V满量程时RMS噪声为200nV。通过一个1Ω电阻可以准确测量10⁶个电流值，而与低频系统噪声无关。灵活的共模输入范围使LTC2440可以将接近V_DD的信号进行数字化。

低电平信号数字化

通常与模数转换器有关的一个容易忽视和误解的问题是开关电容取样网络对性能的影响。Δ-Σ转换器的输入端像一个高频开关电容阵列，原则上转换器输入在取样周期(1/F_SAMPLE)内稳定下来，不会有误差，稳定时间由传感器源阻抗、输入端外部电容、ADC取样率以及内部取样电容大小决定。

高分辨率Δ-Σ转换器制造商创造了很多精妙的方法改进输入稳定时间，但在很多场合由于系统性能需要进行平衡折衷而使其无法应用。有些在信号通道上带有片上缓冲器，将开关电容阵列与外部电路隔离，但这样做的问题是会使输入信号量程限定在地电平几百mV之上到V_DD 1.5V以下，由于很多传感器的输出都超过这个范围，因此这些缓冲器都用不到。其他有的制造商试图通过在一个周期内对缓冲输出采取部分取样，然后对剩余部分进行精细取样的方法解决这个问题，虽然这样可以使输入信号接近地，但却会使放大器偏置和共模抑制产生稳定误差，造成信号在不同时间和温度下产生不同的误差。

由于以上原因，大多数系统设计人员选择屏蔽输入缓冲电路，而在外部对输入稳定过程进行处理。有些设计人员发现如果在输入端到ADC间去掉旁路电容，而将传感器直接接在转换器上，输入稳定误差就会不见，这种情形下，输入稳定误差不再由大的外部电容产生，而是由外部源电阻和内部取样电容产生，通常为几个pF数量级。

LTC2440可以直接将输出阻抗500Ω的传感器信号进行数字化处理，不会因输入稳定电流而产生误差，这样就可以直接对热电偶、RTD和350Ω电桥进行数字处理。对于远距离传感应用，LTC2440可以直接接在传感器上。它突出的共模和常模输入抑制使它可以直接连接，而不需要外部放大器、电平转换器和电容。可编程OSR技术不需要改变内部取样率就可以调节输出速度，因此输入稳定特性与转换速度无关。故而500Ω源阻抗信号可以用6.9Hz到3.5kHz的任何输出速度进行测量，输出电平和输入稳定特性都不会改变。

本文结论

LTC2440利用LTC2400产品系列特性，保持了精度、稳定性和易用性。为了实现与输出速率无关的高速度和高精度，它还结合了可编程OSR数字滤波器及高速模拟调制器。通过将OSR输出数据设定为880Hz，可使其有效分辨率达到21位(2μV RMS)。OSR设定最低时，LTC2440的输出数据速度为3.5kHz，分辨率有17位；OSR设定最高时，LTC2440输出数据速度为6.9Hz，同时有50Hz/60Hz抑制及24.6位有效分辨率(±2.5V输入范围内噪声为200nV_RMS)，相当于2,500万个刻度。通过将一个管脚电平定义为高或低(880Hz或6.9Hz)，或在同一管脚输入5位串行字(10种速度选择)，可对OSR进行编程，偏置、满量程、积分线性和功耗等都与速度选择无关，与速度无关的精度及无延时特性使用户能在转换过程中调整速度。例如LTC2440可以监控输出速度3.5kHz的快速移动信号，将它变成慢输出信号，以便得到低噪声读数，这对于监控不稳定输入、自动量程电路或一般数据采集系统都有很大帮助。

另外这种模数转换器的校正过程、配置寄存器、过滤器设置时间及外部振荡器等都可以省掉，同时在每个转换周期进行偏置和满量程自动校准，确保它们的精确性与时间、温度和电源电压无关。无延时Δ-Σ架构简化了多工应用，内部振荡器可以准确完成线频率闭锁，从而无需外部高频振荡器，避免了可能会产生的相关耦合问题。