如何解決數(shù)據(jù)采集兼容性問(wèn)題

如何解決數(shù)據(jù)采集兼容性問(wèn)題現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集和信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)既復(fù)雜又精細(xì)。幾十年的IC和應(yīng)用開(kāi)發(fā)以及一代又一代設(shè)計(jì)已經(jīng)優(yōu)化了性能和眾多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)使性能不斷提高、優(yōu)點(diǎn)不斷增多。新的設(shè)計(jì)必須憑借精心挑選的性能、尺寸、電源范圍、穩(wěn)定性以及更多優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與之前設(shè)計(jì)的差異化。同時(shí)，DAC、ADC、電壓基準(zhǔn)等高性能集成電路的性能已經(jīng)被推進(jìn)到了極限。關(guān)于電壓基準(zhǔn)，常常必須在精確度和眾多優(yōu)點(diǎn)之間做出設(shè)計(jì)選擇。當(dāng)需要最高性能時(shí)，就有可能缺乏靈活性和兼容性。過(guò)去，精確度最高和最穩(wěn)定的系統(tǒng)一直是用深埋齊納基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，如圖1所示。齊納基準(zhǔn)的低漂移、高穩(wěn)定性和低噪聲使系統(tǒng)能夠既提供很大的動(dòng)態(tài)范圍，又具備良好的穩(wěn)定性。然而，齊納基準(zhǔn)一般不適合大多數(shù)新系統(tǒng)。齊納基準(zhǔn)需要很高的電源電壓才能運(yùn)行，而且很多采用齊納基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)都僅針對(duì)特定系統(tǒng)而優(yōu)化，例如電源電壓高于10V、可用電路板面積很大以及負(fù)載阻抗已經(jīng)完全了解的系統(tǒng)。對(duì)很多新設(shè)計(jì)而言，這些假定很少適用。此外，采用齊納架構(gòu)的基準(zhǔn)一直以來(lái)幾乎沒(méi)有什么新發(fā)展，因此，齊納基準(zhǔn)極少提供更常用且低于5V（例如4.096V、2.5V和1.25V）的基準(zhǔn)電壓。相比之下，要獲得結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)和性能，帶隙電壓基準(zhǔn)一直是最佳選擇。與齊納架構(gòu)相比，帶隙架構(gòu)盡管犧牲了一些穩(wěn)定性，卻有可能用來(lái)設(shè)計(jì)出具備很多優(yōu)點(diǎn)的基準(zhǔn)，包括低壓差、寬溫度范圍、低功率、小尺寸、寬工作范圍和寬負(fù)載電流范圍等優(yōu)點(diǎn)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)產(chǎn)生了大量高性能LDO穩(wěn)壓器和精確的電壓基準(zhǔn)。相對(duì)低的、約為1.2V的帶隙電壓為設(shè)計(jì)提供各種電壓的產(chǎn)品帶來(lái)了方便，包括1.25V、2.048V、2.5V、3V、3.3V、4.096V、5V和10V。另外，這樣的帶隙電壓還允許用僅比輸出電壓高幾毫伏的電源運(yùn)行，如圖2所示。0VTO5VOUTPUT：0V至5V輸出就電壓基準(zhǔn)而言，最大的誤差通常是由溫度系數(shù)（TC）引起的。對(duì)很多精確的系統(tǒng)而言，具20ppm/oC溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)就是合適的。然而，在工業(yè)溫度范圍內(nèi)（-40oC至85oC），這樣的溫度系數(shù)會(huì)導(dǎo)致2500ppm或0.25%的最大誤差。相比之下，由初始準(zhǔn)確度（0.1%）、熱遲滯（通常約為100ppm）和長(zhǎng)期漂移（50ppm/√（kHr）引起的誤差很小。盡管這樣的溫度系數(shù)對(duì)很多工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)而言足夠了，但是諸如測(cè)試和測(cè)量等精確應(yīng)用以及寬溫度范圍汽車應(yīng)用卻需要更高的穩(wěn)定性。隨著時(shí)間推移，帶隙基準(zhǔn)的性能也得到了提高，在有些情況下，其穩(wěn)定性和噪聲性能超過(guò)了掩埋齊納基準(zhǔn)。新的架構(gòu)、工藝和制造方法進(jìn)一步推進(jìn)了精確度和穩(wěn)定性的極限。以前，“精確的”帶隙基準(zhǔn)溫度系數(shù)也許為20-50ppm/oC，而較新的產(chǎn)品則提供低于5ppm/oC的溫度穩(wěn)定性。同時(shí)，眾多優(yōu)點(diǎn)得以保留或得到了改進(jìn)。例如LT6657，這是一款高精確度帶隙電壓基準(zhǔn)。LT6657帶來(lái)了一種新的選擇，在提供最高精確度的同時(shí)，還為滿足多種系統(tǒng)需求及限制保留了極大的靈活性。LT6657的溫度系數(shù)為1.5ppm/°C，是溫度系數(shù)最低的帶隙電壓基準(zhǔn)。高階溫度補(bǔ)償可隨溫度變化保持很低和可預(yù)測(cè)的輸出電壓誤差（圖3），同時(shí)最新制造方法確保器件之間、批次之間具有一致的性能。為確保每個(gè)器件都滿足該高性能水平，LT6657的溫度系數(shù)由100%的五溫度測(cè)試提供保證。在-40°C至125°C溫度范圍內(nèi)，LT6657確保由溫度漂移引起的誤差低于250ppm。圖3：LT6657溫度漂移OUTPUTVOLTAGECHANGE（NORMALIZED）：輸出電壓變化（歸一化）THREETYPICALPARTS：3種典型器件1ppm/°CBOX：1ppm/°C區(qū)域TEMPERATURE：溫度應(yīng)該提到的是，圖3中包括一個(gè)指示1ppm/°C誤差的區(qū)域。典型的LT6657器件完全位于這個(gè)區(qū)域之內(nèi)，因此在針對(duì)1.5ppm/oC這一限制進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)測(cè)試時(shí)，能夠達(dá)到合理的產(chǎn)量。除了總體穩(wěn)定性這個(gè)優(yōu)點(diǎn)以外，還有低溫度遲滯和出色的長(zhǎng)期漂移穩(wěn)定性這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這些衡量標(biāo)準(zhǔn)可以用來(lái)預(yù)測(cè)，隨著時(shí)間和溫度周期變化，系統(tǒng)將怎樣良好地保持在性能規(guī)格限制之內(nèi)。就位于偏僻之處或難以校準(zhǔn)的系統(tǒng)而言，較低的熱遲滯和長(zhǎng)期漂移意味著較少的校準(zhǔn)工作，從而節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用。盡管電氣表格中的典型值提供了有用的指導(dǎo)，但是這些值代表的是平均值、偏差還是單個(gè)器件，卻不清楚。凌力爾特公司提供了大量數(shù)據(jù)，以在利用電壓基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有意義的指導(dǎo)。LT6657數(shù)據(jù)表中提供了長(zhǎng)期漂移和遲滯分布數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)顯示，LT6657的長(zhǎng)期漂移和遲滯都很低，而且很一致。電壓基準(zhǔn)性能的另一個(gè)方面是噪聲。很多系統(tǒng)對(duì)溫度或老化等長(zhǎng)期漂移是不敏感的，但是要求噪聲非常低，以提供高分辨率測(cè)量。LT6657的噪聲性能可與一些最好的低噪聲掩埋齊納基準(zhǔn)相媲美。噪聲僅為0.5ppm，適合很多大動(dòng)態(tài)范圍系統(tǒng)。在0.1Hz至10Hz范圍內(nèi)，就一個(gè)2.5V基準(zhǔn)電壓而言，LT6657僅產(chǎn)生1.25μV峰值至峰值噪聲。寬帶噪聲也很低，為0.8ppm（2μV）RMS，直至1kHz。該器件的低噪聲使其非常適合要求大動(dòng)態(tài)范圍和非常低噪聲的系統(tǒng)。一個(gè)5V滿標(biāo)度輸入的20位轉(zhuǎn)換器具僅為4.8μV（~1ppm）的LSB，這說(shuō)明了這種低噪聲的重要性。除了低溫度漂移、高穩(wěn)定性和低噪聲，LT6657還有進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。LT6657僅需要50mV電壓空間就可運(yùn)行。無(wú)DC負(fù)載時(shí)，可用不到2.6V的電源給一個(gè)2.5V基準(zhǔn)供電，或者在有很重的DC負(fù)載電流時(shí)，可用不到3V的電源供電。在電壓調(diào)節(jié)誤差低于1ppm/V和紋波抑制非常出色的情況下，電源范圍可擴(kuò)展到40V，從而能夠靈活地用幾乎任何可用電源給基準(zhǔn)供電，這與齊納基準(zhǔn)相比是一個(gè)突出的不同之處。就像大多數(shù)凌力爾特最近推出的電壓基準(zhǔn)產(chǎn)品一樣，LT6657隨頻率變化呈現(xiàn)了很低的輸出阻抗。這減輕了負(fù)載隨頻率變化的影響，有助于防止負(fù)載端的信號(hào)反饋給基準(zhǔn)并引起干擾、誤差或噪聲。當(dāng)驅(qū)動(dòng)高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或需要成功通過(guò)諸如汽車系統(tǒng)中的大電流注入等運(yùn)行測(cè)試時(shí)，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)基準(zhǔn)穩(wěn)定至關(guān)重要。此外，LT6657專為驅(qū)動(dòng)大輸出電容而設(shè)計(jì)。鑒于許多高性能ADC在采樣期間從電壓基準(zhǔn)吸收大的電荷注入電流，因此把快速穩(wěn)定和通過(guò)設(shè)計(jì)以在驅(qū)動(dòng)一個(gè)大的電荷儲(chǔ)存電容器時(shí)保持穩(wěn)定之能力組合起來(lái)，使該電壓基準(zhǔn)在最大限度發(fā)揮高動(dòng)態(tài)范圍轉(zhuǎn)換器之最佳性能方面擁有了一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。LT6657還具備充足的驅(qū)動(dòng)能力，可提供和吸收高達(dá)10mA負(fù)載電流，且負(fù)載調(diào)節(jié)誤差低于每毫安1ppm。這種負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力使LT6657能夠偏置各種傳感器、驅(qū)動(dòng)難以驅(qū)動(dòng)的ADC基準(zhǔn)輸入、驅(qū)動(dòng)多個(gè)ADC和DAC，或者以基準(zhǔn)級(jí)精確度給小型子系統(tǒng)供電。這種很少被利用的能力可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在一些小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中合并電源和基準(zhǔn)功能，充分利用電路板面積和功耗。ADC或DAC的電源和基準(zhǔn)使用相同的電壓是比較理想的情況，另外LT6657的小型MSOP封裝也進(jìn)一步節(jié)省了空間。此外，LT6657包括電流和過(guò)熱保護(hù)，以避免在故障情況下由于過(guò)載而損壞。最后，LT6657可作為并聯(lián)基準(zhǔn)運(yùn)行。并聯(lián)模式運(yùn)行的一個(gè)好處是，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)壓基準(zhǔn)。并聯(lián)模式運(yùn)行還允許LT6657用非常高的電源電壓工作，或者以最低壓差電壓運(yùn)行。圖4顯示了LT6657的正并聯(lián)配置。圖4：LT6657的并聯(lián)模式配置圖5顯示，LT6657用于低噪聲、精確的20位ADC應(yīng)用。在這種情況下，LT6657的低噪聲、低溫度漂移和高穩(wěn)定性允許使用高精確度ADC，例如性能更高的LTC2378-20，但不會(huì)像較舊的掩埋齊納解決方案那樣增大了所需電路板面積和電源電壓空間。圖5：低噪聲、精確的20