ZHCA797B January 2018 – September 2024 ADS7040 , ADS7041 , ADS7042 , ADS7056 , ISOTMP35 , ISOTMP35-Q1
設(shè)計(jì)說(shuō)明
此設(shè)計(jì)說(shuō)明如何將傳感器輸出端與 SAR ADC 輸入端直接連接。在無(wú)線環(huán)境傳感器、氣體探測(cè)器、煙霧和熱量探測(cè)器等應(yīng)用中，輸入變化非常緩慢，傳感器輸出電壓的采樣速率也相對(duì)較慢（10ksps 左右）。在此類或類似系統(tǒng)中，傳感器輸出端可與 SAR ADC 輸入端直接連接，而不需要使用驅(qū)動(dòng)器放大器，因此可實(shí)現(xiàn)小尺寸、低成本的設(shè)計(jì)。
將傳感器輸出端直接連接到 SAR ADC
下圖顯示了在不使用驅(qū)動(dòng)器放大器的情況下將傳感器直接連接到 SAR ADC 輸入端的典型應(yīng)用圖。傳感器框圖突出顯示了傳感器輸出端的戴維南等效電路。源電壓 VTH 是戴維南等效電壓，而源電阻 RTH 是戴維南等效阻抗。大多數(shù)傳感器數(shù)據(jù)表都提供了傳感器的戴維南模型，從中可以輕松計(jì)算出串聯(lián)阻抗的值。
規(guī)格
| 參數(shù) | 計(jì)算值 | 仿真值 | 測(cè)得值 |
|---|---|---|---|
| 瞬態(tài) ADC 輸入趨穩(wěn)誤差 | < 0.5LSB < 100.5μV |
36.24μV | 不適用 |
| 階躍輸入滿標(biāo)量程 | 3.15V | 3.15V | 3.14978 |
| 輸入源阻抗 (RTH) | 10kΩ | 10kΩ | 10.01kΩ |
| 濾波電容值 (CFLT) | 680pF | 680pF | 不適用 |
| ADC 采樣速度 | 10ksps | 10ksps | 10ksps |
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
- 確定輸入信號(hào)的源阻抗。計(jì)算輸入源阻抗和濾波電容（已知值）的 RC 時(shí)間常數(shù)。
- 確定輸入信號(hào)在給定源阻抗和濾波電容組合情況下趨穩(wěn)所需的最小采集時(shí)間。
- 選擇 COG 電容器以更大限度減少失真。
- 使用 0.1% 20ppm/°C 或更高規(guī)格的薄膜電阻器以實(shí)現(xiàn)良好的增益漂移并更大限度地減少失真。
ADC 輸入穩(wěn)定的元件選擇
當(dāng)模擬輸入源能夠驅(qū)動(dòng) SAR ADC 的開(kāi)關(guān)電容器負(fù)載并能夠在 SAR ADC 的采集時(shí)間內(nèi)將模擬輸入信號(hào)穩(wěn)定在 ? LSB 以內(nèi)時(shí)，可將 SAR ADC 與傳感器直接連接。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，外部 RC 濾波器（RTH 和 CFLT）必須在 ADC 的采集時(shí)間 (tACQ) 內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)。ADC 采集時(shí)間與外部濾波器的 RC 時(shí)間常數(shù)之間的關(guān)系為：
其中
- ?FLT = RTH × CFLT
- k 為 N 位 ADC 的單極時(shí)間常數(shù)
以下設(shè)計(jì)示例值是第 1 頁(yè)的表中給出的值：
K = 11（用于 14 位 ADC 的單極時(shí)間常數(shù)乘數(shù)）– 有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱模擬工程師口袋參考書 的第 96 頁(yè)和第 97 頁(yè)。
使用以下公式計(jì)算正確趨穩(wěn)所需的最小采集時(shí)間：
有關(guān) SAR ADC 和 SAR ADC 前端設(shè)計(jì)的更多信息，請(qǐng)參閱 SAR ADC 前端組件選擇簡(jiǎn)介 視頻。
使用 TI-TINA 進(jìn)行瞬態(tài)輸入穩(wěn)定仿真
下圖顯示了 ADS7056 ADC 在給定 3.15V 直流輸入信號(hào)時(shí)的穩(wěn)定情況。該類型的仿真表明已正確選擇采樣保持反沖電路。請(qǐng)參閱 優(yōu)化 Rfilt 和 Cfilt 值（TI 高精度實(shí)驗(yàn)室 - ADC 培訓(xùn)視頻系列）了解有關(guān)此主題的詳細(xì)理論。
增加 SAR ADC 的采集時(shí)間以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)穩(wěn)定
可通過(guò)以下方式降低吞吐量來(lái)增加 SAR ADC 的采集時(shí)間：
- 降低 SCLK 頻率以降低吞吐量。
- 使 SCLK 固定在最高允許值并增加 CS 高電平時(shí)間。
下表列出了 ADS7056 SAR ADC 在吞吐量為 10ksps (tcycle = 100μs) 條件下運(yùn)行時(shí)的前兩種情況的采集時(shí)間。第 2 種情況為輸入信號(hào)趨穩(wěn)提供了更長(zhǎng)的采集時(shí)間，因?yàn)樵诠潭ǖ霓D(zhuǎn)換和周期時(shí)間條件下 SCLK 的頻率提高了。
| 用例 | SCLK | tcycle | 轉(zhuǎn)換時(shí)間 (18 × tSCLK) | 采集時(shí)間 (tcycle – tconv) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0.24MHz | 100μs | 74.988μs | 25.01μs |
| 2 | 60MHz | 100μs | 0.3μs | 99.70μs |
下表顯示的是，當(dāng)輸出阻抗為 10kΩ 的傳感器輸出端與 ADC 輸入端直接連接時(shí)，8 位、10 位、12 位和 14 位 ADC 相對(duì)于采樣速度和有效位數(shù) (ENOB) 的性能比較。正如預(yù)期的那樣，隨著采樣速率升高，由于采集時(shí)間減少，ENOB 會(huì)降低。
| 采樣速度 (ksps) | ADS7040（8 位 ADC） ENOB（RTH = 10kΩ， CFLT = 1.5nF） |
ADS7041（10 位 ADC） ENOB（RTH = 10kΩ， CFLT = 1.5nF） |
ADS7042（12 位 ADC） ENOB（RTH = 10kΩ， CFLT = 1.5nF） |
ADS7056（14 位 ADC） ENOB（RTH = 10kΩ，CFLT = 680pF） |
|---|---|---|---|---|
| 10 | 7.93 | 9.87 | 10 | 12.05 |
| 100 | 7.92 | 9.85 | 9.97 | 10.99 |
| 500 | 7.88 | 9.68 | 9.95 | 8.00 |
采用不同源阻抗在不同吞吐率條件下實(shí)現(xiàn)的性能
下圖提供了 ADS7056 采用不同輸入阻抗在不同吞吐量條件下實(shí)現(xiàn)的 ENOB。請(qǐng)注意，下圖所有結(jié)果的得出條件是采用 100Hz 模擬輸入信號(hào)并且沒(méi)有 ADC 驅(qū)動(dòng)器放大器。
設(shè)計(jì)中采用的器件
| 器件 | 主要特性 | 鏈路 | 類似器件 |
|---|---|---|---|
| ADS7040 | 8 位分辨率，SPI，1Msps 采樣速率，單端輸入，AVDD/Vref 輸入范圍為 1.6V 至 3.6V。 | 超低功耗，超小尺寸 SAR ADC，8 位，1MSPS，單端 | 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) |
| ADS7041 | 10 位分辨率，SPI，1Msps 采樣速率，單端輸入，AVDD/Vref 輸入范圍為 1.6V 至 3.6V。 | 超低功耗和超小尺寸 SAR ADC，10 位，1MSPS，單端 | |
| ADS7042 | 12 位分辨率，SPI，1Msps 采樣速率，單端輸入，AVDD/Vref 輸入范圍為 1.6V 至 3.6V。 | 具有 SPI 的 12 位 1MSPS 超低功耗、超小型 SAR ADC | |
| ADS7056 | 14 位分辨率，SPI，2.5Msps 采樣速率，單端輸入，AVDD/Vref 輸入范圍為 1.6V 至 3.6V。 | 具有 SPI 的 14 位 2.5MSPS 超低功耗、超小型 SAR ADC |
ADS7042 和 ADS7056 使用 AVDD 作為參考輸入端。應(yīng)使用高 PSRR LDO（如 TPS7A47）作為電源。
主要文件鏈接
德州儀器 (TI)，SBAA256 的源文件，SBAC178 支持文件