使用 LTC2358 模数转换器改善您的系统,它是需要较宽动态范围高压应用的理想产品。高精度模数转换器是现实信号和现代数字处理能力的关键接口,应用包括工业过程控制以及高端测试和测量系统等等。不幸的是,并不是简单将传感器或其他信号源与转换器连接,就能获得数据转换器所宣传的所有性能。通常还会需要提供缓冲、电压保护或其他功能的电路。要达到所需的性能,具体实施起来可能会很困难。
大家好,我是安德鲁·托马斯,来自 Linear Technology公司 Mixed Signal Group 的高级设计工程师。我想给大家展示下,我们的全新 LTC2358 八通道模数转换器的集成式微微安培缓冲器如何简化这些挑战。事实上,我们采用了 LTC2348 八通道逐次逼近模数转换器的领先性能和出色的灵活性,并且增加了高性能 FED 输入缓冲功能。
在 LTC2348 产品宣传视频中,我们探讨了该产品的卓越性能和对任意输入信号的测量能力,让它成为很多高压应用的最佳选择。而 LTC2358 同样也有这些优势,而且性能几乎完全相同。但是现在,我想重点探讨一些可以让它的缓冲输入改善你所拥有系统的简单方法。
许多传感器,即使是那些输出信号缓慢或细微的传感器,都可以很容易地直接与 LTC2358 连接,而中间不需要任何信号调节。在以前,一款八通道的模数转换器可能会需要像这样的四个高压双运算放大器缓冲,LTC2358 去掉了这些双运算放大器,从而大大节省了电路板面积和功耗。这里所展示的热敏电阻简单电路,是这种传感器直接连接的一个实例,它根据热敏电阻与上方固定电阻的比值在模数转换器中产生电压。
请注意,将电阻器的顶部与模数转换器参考电压连接,可以确保即使参考电压漂移时,也能得到准确的比值。在选择热敏电阻时,低电阻值会增加热敏电阻功率损耗,从而降低测量精度。
另一方面,高电阻值的热敏电阻,会需要非常高的输入阻抗测量才能保持精度。而在这里,LCT2358 的纯电容输入很亮眼,使用 20 千欧阻值的元件仍能保持良好的精度。LTC2358 不仅采样率高而且噪声低,可以通过给热敏电阻并联开关进一步提升性能。
当这个开关开启时,热敏电阻中没有能量消耗,所以会处于常温。而当需要测量温度时,开关会在短时间内关闭,在不到一毫秒的时间内完成温度测量,热敏电阻都还未来得及给自身加热。这张图表展示出完成精准测量的速度可以达到多快,而且如果转换时间超过100毫秒,测量误差会随之增加。远远超出所需的时间。
这个简单的例子展示出可以很容易地实现传感器和 LTC2358 之间的连接。但是缓冲器还会在其他方面有所帮助。稍微变换下重点,带缓冲的输入同时也使得可以更容易地对该系统进行设计,从而干净利落而且透明地处理超量程信号。不管这些信号是由系统的正常行为或者故障引起。有很多原因可以引发模数转换器输入信号超量程。有时候是由于系统过载这类显而易见的原因,而其他时候是由于传感器故障、电源以及接线等引起。
这些情况在最好的情况下会造成干扰,而在最坏的情况下会影响性能。LTC2358 使得可以更容易地构建对过量程信号有极强抵抗能力的高性能系统。这个彩色的条线形象地展示出 LTC2358 随着各种输入电压预计会发生的表现。
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首先,当模拟输入电压超过了程序编入的满量程,模数转换器并没有遇到障碍。举例来说,如果某个输入配置为零到五伏,但是系统施加了十伏的电压,或者达到高压差分的电压,转换器仅会报告量程已满。其他通道转换的结果仍然准确,而且功率耗散未增加。
而在较为严重的情况下,可能会导致输入超出高压电源。举例来说,如果驱动模数转换器的是 40 伏放大器,在非正常情况下,这个放大器可能会尝试将输入的电压提高到 40 伏。内部二极管会将模拟输入和高压电源绑定,所以只需对电流进行限制,避免损害该零件或其他电路。LTC2358 的最多可以承受引脚拉电流超出供应电流 10 毫安而不出现问题。所以只需给输入串联 2 ½ 千欧的电阻器,就可以让寄生信号输入达到 40 伏。模数转换器的高阻抗输入,确保这个串联电阻在电路正常运行时不会对性能造成影响。高达 40 伏的电流不会影响其他模数转换器通道的精度。
将输入拉到 -40v 以内的负电压,也不会造成损坏,但是会影响其他通道的精度。超过这两个限制值,模数转换器和电阻器内的功率耗散会有损坏风险。其他阻值的电阻器可以用于其他可能会产生的负载范围,不过请谨记 10 毫安的电流限制。
举例来说,10 千欧的电阻器可以允许 100 伏的电压。请注意 100 伏的电压施加给10 千欧的电阻,产生的功率耗散是 1 瓦特。因此会需要更高功率的电阻器,但是上述解决方案仍然非常简单而且健壮。
到目前为止,我给大家讲解了一些实例,展示该如何除去或简化处于模数转换器上游的电路。利用 LTC2358 极低的输入电流和宽泛的普通负载范围,它还可以通过某些创造性的方式与传感系统集成。
模拟输入电流完全由结漏电流确定,在常温下通常小于 10 微微安培。这种低输入电流意味着,LTC2358 可以用于光二极管极低电平的电流信号。光二极管是一种反向偏压二极管,设计用于少量电流的传导,电流大小由二极管上的亮度决定。这种少量电流通常会被像这样的互阻抗运算放大器电路转换为电压,这样运算放大器的输出电压与二极管电流成一定比例,而且可以由模数转换器数字化。
由于光二极管是反向二极管,它看起来就像是阻值极高的电阻,因而如果要对它的电流进行高精度测量,会需要所有与它连接的器件都拥有极低的输入电流。因此,此处所显示的运算放大器,通常必须是 FET 输入运算放大器。不幸的是,FET 离线放大器的输入补偿电压通常不怎么好。这会影响输出电压的精度。
然而,LTC2358 能够进行微差测量。所以可以将它与电阻器连接,测量电阻器两端的电压,而不是运算放大器的输出电压。这种连接抵消了测量中功率放大器偏置以及低频噪声所造成的影响。值得注意的是,这个电路之所以能工作,是因为 LTC2358 本身的输入电流非常低,通常在室温下只有几微微安培。所以它可以直接与光二极管连接,而不会干扰测量。LTC2358 的缓冲输入让很多电路应用得以实现,这种光二极管电路只是其中之一。
再举几个其他例子,它还会使得可以非常容易地对使用低功率运算放大器的模拟信号滤波器和接口进行设计。这项功能加上抵抗过载的能力、与传感器的直接连接以及出色的原始性能,使得 LTC2358 成为许多多通道系统的卓越解决方案。希望我给大家展示的一些方法,可以让你们更容易地对下个系统进行设计。