感測器介面太複雜？8 通道 ADC 了解一下

作為真實世界信號與現代數字信號處理功能電路之間的關鍵使能介面——精準模數轉換器，廣泛應用於工業過程中的高端測試/測量系統。

但是，想要把感測器或其它信號源連接至轉換器並獲得數據轉換器產品廣告中宣稱的所有性能，並不是一件容易的事，通常還需要用於提供緩衝、電壓保護或其他功能等附加電路的幫助。

那麼，該如何簡化這個問題呢？

ADI 混合信號的高級設計工程師——Andrew Thomas對此談到一款新型LTC2358 8通道ADC的集成化微微安培輸入模擬緩衝器，它不僅實現了LTC2348 8通道逐次逼近型ADC出色的性能、任意輸入測量的能力和超群的靈活性，同時還具備高性能FET輸入緩衝。

這些緩衝器使得能夠圍繞信號的需求來設計信號調理，純電容性的pA級輸入可直接連接至多種精細的低電流感測器，並簡化模擬抗混疊濾波器及其他功能電路的設計。現在就為大家介紹其緩衝輸入可改善系統的幾種方法。

不少感測器，甚至具有輸出的緩慢或精細感測器，都可簡單直接連接至LTC2358，而不需要任何中間信號的調理。一般地，傳統的8通道ADC需要採用4個這樣的雙通道高電壓運放來提供緩衝，而LTC2358卻可以通過免除這些運放，從而大幅度節省電路板面積和功率。

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這類感測器直接連接簡單熱敏電阻電路，它可在ADC上產生一個與熱敏電阻和上方的固定電阻之比有關的電壓。不過需要注意的是，電阻器的頂端連接至ADC基準可確保一個準確的比例，即使在基準發生漂移時，也不例外。

選擇熱敏電阻時，低電阻值會在熱敏電阻中導致較大的功耗，因而會損害測量準確度。另一方面，採用高電阻值熱敏電阻時的準確度則需要進行非常高的輸入阻抗測量。這時，LTC2358的純電容性輸入就「發光」了；不過，可以通過增加一個20kΩ阻性元件提供更加優良的準確度。

LTC2358的高採樣速率和低雜訊允許採用一個與熱敏電阻並聯的開關實現進一步的改善。當開關導通時，熱敏電阻中無功耗，因此處於環境溫度水平。而需要進行溫度測量時，這個開關就要短暫地斷開1ms，隨即完成測量。因此，熱敏電阻器幾乎沒有時間來使自身發熱。

下面這幅曲線圖顯示了完成一次精確測量的超快速度，以及在轉換操作持續100ms（遠超所需的時間）時測量誤差的增加情況。這表明：在一個感測器和LTC2358之間實現連接是很輕鬆的，不僅如此，其緩衝器還可以使得設計一個能夠乾淨和透明地處理超範圍信號的系統更加容易，不管它們是作為正常運行方式的一部分或是其它某種系統故障情況出現。

超範圍 ADC 輸入信號的出現有很多原因：有時就像把一個 2kg 物體放在一台 1kg 秤上那麼明顯；或者，它們也可能源於出故障的感測器、電源或配線。這些狀況造成的後果：在最好情況下是一種干擾，而在最壞情況下則會損害性能。而LTC2358 有助簡化構建能承受超範圍信號的高性能系統。

下面這根彩條以圖形化的方式顯示了在各種不同輸入電壓條件下 LTC2358 的預期運行方式。當模擬輸入電壓超過其編程全標度時，ADC 不會出問題。例如，若一個輸入是針對 0V 至 5V 操作配置，但系統施加 10V 或任何高達高電壓電源差的電壓，則轉換器會簡單地報告一個飽和全標度值。其他通道上的轉換結果仍然是準確的，而且功耗並未增加。

在更嚴重的場合，輸入可能會被驅動至超過高電壓電源。例如，假如一個採用 40V電壓供電的放大器驅動 ADC，則在某種異常情況下該放大器或許會把一個輸入驅動至 40v。內部二極體把模擬輸入箝位至高電壓電源，因此有必要限制電流以避免損壞器件或其他電路。

LTC2358 能容許引腳電壓被拉至超過其電源並具有高達 10mA 電流而無憂，所以簡單地布設一個與輸入相串聯的 2.5kΩ電阻器就能允許雜散輸入信號走至 40V。ADC 的高阻抗輸入可確保該串聯電阻在電路正常工作時不會造成性能下降，而且高達 40V 的電壓不會在其他 ADC 通道上導致準確度受影響。把輸入拉至負電源以下 (低至 –40V) 也不會導致損壞，但是這會將使其他通道上的準確度下降。如果超過這些限值，則ADC 和電阻器中的功耗將存在損壞器件的風險。

對於其他可行的過驅動範圍可採用其他的電阻器阻值，並記住 10mA 的電流限值。例如，一個 10kΩ電阻器將允許施加 100V，在 10kΩ電阻器兩端施加 100V 電壓時的功耗為 1W。故需採用一個較高功率電阻器，但是解決方案仍然極為簡單和堅固。

那麼該怎樣取消或簡化位於 ADC 前面的電路呢？可採用一些利用其極低輸入電流和寬共模範圍的更具創造性方式，把 LTC2358 集成到感測系統中。模擬輸入電流完全由結漏決定，而且在室溫下通常小於 10pA。這種低輸入電流意味著 LTC2358 可與極低水平的電流信號 (光電二極體的典型特徵) 一起使用。

光電二極體是反向偏置二極體，專為傳導由二極體上的光照水平所決定的少量電流而設計。這個小電流信號通常由像這樣一個跨阻抗運放電路轉換為一個電壓，因而運放的輸出電壓與二極體電流成比例，並且可以由一個 ADC 進行數字化處理。

它也可以看作是一個極高的電阻，而且以高準確度測量其電流要求任何連接至它的組件必需具有極低的輸入電流。因此，所示的運放通常是一個 FET 輸入運放。然而FET 運放的輸入失調電壓通常不是很好，它會影響輸出電壓的準確度

LTC2358 能夠完成差分測量，因此可將其連接以測量電阻器兩端的電壓，而不是在運放的輸出端上進行測量。這種連接消除了運放失調的影響和測量中的低頻雜訊。該電路的正常運作主要源於LTC2358 本身具有非常低的輸入電流，在室溫下通常僅為幾 pA，所以它可以合理地直接連接至光電二極體，而不會干擾測量。

該光電二極體電路利用 LTC2358 的緩衝輸入得以實現。在更多的應用中，若是採用低功率運放來設計模擬信號濾波器和介面的工作也將因此而大為簡化。添加此功能到簡單的過驅動堅固性、直接感測器連接和出眾的原生性能，將會使 LTC2358 成為適用於眾多多通道系統的卓越解決方案。

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