Производители бросают вызов традиционным представлениям о скорости и разрешении АЦП последовательных приближений

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2015

Don Tuite

Electronic Design

Texas Instruments, Analog Devices, Maxim Integrated и Linear Technology выпустили АЦП последовательных приближений с разрешением 18, и даже 20 разрядов, и частотой преобразования от 500 до 5000 киловыборок в секунду

2013 год оказался выдающимся в отношении улучшения характеристик аналого-цифровых преобразователей (АЦП) последовательных приближений. В тот период было анонсировано всего несколько новых АЦП с дельта-сигма (ΔΣ) и конвейерной архитектурой, в то время как преобладали сообщения об АЦП последовательных преобразований.

Принято считать, что если разработчики схем хотят получить высокое разрешение АЦП, им необходимо использовать архитектуру ΔΣ. Если же им требуется обработка более быстро меняющихся данных, то необходимо использовать преобразователь, построенный по принципу последовательных приближений. С 2013 г. это утверждение стало правильным лишь отчасти. Хотя разрешение новейших ΔΣ АЦП по-прежнему исключительно высоко.

Если Вы ищите запасы нефти при помощи сети сейсмодатчиков, то, например, ADS1282 от Texas Instruments даст Вам разрешение в 31 разряд при 4 тысячах выборок в секунду. (Он, собственно, и позиционируется на рынке как «АЦП для сейсмических исследований и изыскания источников энергии»). Для работы с большей частотой выборки даже самые последние ΔΣ АЦП должны сокращать разрешение. В весьма содержательном документе «Понимание АПЦ последовательных приближений: их архитектура и сравнение с другими АЦП», выпущенным компанией Maxim Integrated, отмечается, что некоторые высокоскоростные ΔΣ АЦП достигли частоты преобразования от 1 до 2 МГц, однако они ограничены разрешением в 12-16 разрядов.

Если, однако, вы хотите иметь дело с более высокочастотными данными, скажем, в промышленных системах управления, робототехнике, автомобилестроении или в контрольно-измерительных приборах, и хотите получить одновременно и высокую точность, и большую скорость преобразования, обратите внимание на некоторые новые АЦП последовательных приближений, демонстрирующие исключительные характеристики: разрешение 18, и даже 20 разрядов, и частоту преобразования от 0.5 до 5 млн. выборок в секунду.

Естественно, это при нулевой конвейерной задержке. Данные на выходе сразу же отображают значение напряжения на входе схемы выборки и хранения. На момент написания статьи в 2013 году было выпущено не менее пяти новых АЦП последовательных приближений с заявленными характеристиками (см. Таблицу 1). И это без учета других представителей каждого из семейств, лишь немного уступающих флагманам в скорости или точности.

Принцип работы АЦП последовательных приближений

Для оцифровки напряжения, зафиксированного на схеме выборки и хранения, АЦП последовательных приближений поочередно сравнивает входное напряжение с последовательностью убывающих напряжений (Рисунок 1). Каждый уровень соответствует одному биту выходного цифрового кода и является дробной частью входного напряжения полной шкалы (1/2, 1/4, 1/8, 1/16 ... 1/2N, где N – количество разрядов).

Рисунок 1.	АЦП последовательных приближений сравнивает аналоговое входное напряжение с последовательностью убывающих напряжений (1/2, 1/4, 1/8, 1/16 ... 1/2N, где N – количество разрядов) и накапливает результаты.

На первом шаге происходит сравнение напряжения на аналоговом входе с напряжением, соответствующим наибольшему значащему разряду (MSB). Если напряжение на входе больше, чем напряжение, соответствующее MSB, значение MSB принимается равным 1. Если меньше – то 0.

На втором шаге входное напряжение сравнивается с напряжением, соответствующим сумме MSB и следующего за ним разряда. Значение второго разряда определяется аналогично. В третий раз сравнивается значение напряжения на аналоговом входе и напряжение, соответствующее сумме трех наибольших значащих бит. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет установлено значение младшего значащего разряда (LSB).

Последние АЦП последовательных приближений

Эти АЦП последовательных приближений начали появляться в конце мая 2013 г. В это время Linear Technology представила устройство с наибольшей точностью – LTC2378-20-1 (Рисунок 2) с разрядностью 20 бит, частотой преобразования 1 млн. выборок в секунду и отсутствием конвейерной задержки. АЦП имеет встроенный тактовый генератор, но нуждается во внешнем источнике опорного напряжения, которое может лежать в диапазоне от 2.5 до 5.1 В. Обычно он работает от однополярного источника питания 5.5 В. Впрочем, в устройствах с критичным уровнем энергопотребления АЦП может работать и от более низкого напряжения, вплоть до 2.5 В, потребляя при этом максимум 21 мВт. Для снижения потребляемой мощности преобразователь автоматически отключается между циклами измерений. Снижение мощности зависит также от частоты преобразования.

Рисунок 2.	LTC2378-20-1 – АЦП последовательных приближений компании Linear Technology с 20-битной точностью и производительностью 1 млн. выборок в секунду.

Другим подходом к снижению мощности является использование дифференциального входа устройства с несимметричными сигналами. Для разработчиков схем, которые выбирают этот вариант, у микросхем LTC2378 и других АЦП последовательных приближений компании Linear Technology предусмотрена функция цифрового сжатия динамического диапазона усиления (DGC), когда первый усилитель сконфигурирован как буфер с единичным усилением, и асимметричный входной сигнал напрямую поступает на высокоимпедансный вход усилителя.

Функция DGC накладывает требование ограничения размаха полной шкалы входного сигнала до 10% … 90% от аналогового входного диапазона ±VRef. Внутренний драйвер в этом случае может питаться от единственного положительного источника напряжения. LTC2378 имеет последовательную цифровую шину, совместимую с интерфейсом SPI, которая допускает шлейфовое подключение нескольких устройств и поддерживает логические уровни 1.8, 2.5, 3.3 и 5 В.

Приблизительно в то же время, когда Linear вывела на рынок LTC2378, компания Maxim Integrated объявила о начале продаж MAX11156 (Рисунок 3). Этот 18-разрядный АЦП последовательных приближений, работающий без пропуска кодов, с частотой преобразования 500 тысяч выборок в секунду, несмотря на наличие встроенных источника и буфера опорного напряжения, помещается в тонком миниатюрном корпусе TDFN. «Отсутствие пропуска кодов» означает, что по мере изменения входного сигнала во всем допустимом диапазоне на выходе преобразователя будут появляться все возможные комбинации выходных кодов.

Рисунок 3.	18-битный АЦП последовательных приближений MAX11156 компании Maxim Integrated при скорости 500 тыс. выборок в секунду работает без пропуска кодов.

По сравнению с конкурирующими решениями миниатюрный корпус экономит, по утверждению Maxim, не менее 70% площади печатной платы. Компания также обращает внимание на технологию «Beyond-the-Rails» («вне диапазона питающих напряжений»), позволяющую АЦП обрабатывать входные сигналы в диапазоне ±5 В при работе от однополярного источника питания +5 В.

Помимо этих характеристик, Maxim акцентирует внимание на монотонности передаточной функции АЦП, малом времени установления и отсутствии конвейерной задержки. Типовые параметры по постоянному току: дифференциальная нелинейность (DNL) ±0.5 LSB, интегральная нелинейность (NLB) ±2.5 LSB. Параметры по переменному току: отношение сигнал-шум (SNR) 94.6 дБ, общий коэффициент нелинейных искажений (THD) –105 дБ. Для многоканальных приложений несколько устройств можно соединять параллельно с помощью последовательного интерфейса, совместимого с SPI. Цена одной микросхемы начинается от $16.90.

Чуть позже, в сентябре того же года, Linear Technology представила свой 18-разрядный АЦП LTC2338-18 с нулевой конвейерной задержкой и частотой преобразования от 250 тыс. до 1 млн. выборок в секунду. Работая от однополярного напряжения питания 5 В, АЦП имеет более широкий (±10.24 В), полностью дифференциальный, двуполярный диапазон входных напряжений. Его технические данные: SNR = 100 дБ, THD = –110 дБ. АЦП содержит источник опорного напряжения 2.048 В (не хуже 20 ppm/°C) и буфер опорного напряжения. Входная цепочка делителей обеспечивает масштабирование и смещение уровня входного сигнала, позволяя исключить сложные схемы, необходимые для сопряжения реальных двуполярных сигналов. Ввод/вывод осуществляется по шине SPI.

Linear Technology намеревается создать семейство совместимых по выводам 16 и 18-разрядных АЦП с псевдо-дифференциальными истинно двуполярными входами (LTC2328-18). Внутренний буфер опорного сигнала с запатентованной архитектурой во время скачкообразных всплесков преобразований сохраняет значение ошибки менее 1 LSB, позволяя выполнять однократные преобразования после продолжительных периодов неактивности. Эти АЦП работают от однополярного источника питания 5 В и при частоте 1 млн. выборок в секунду потребляют всего 50 мВт. При снижении частоты преобразования потребляемая мощность уменьшается линейно. В режиме останова прибор расходует лишь 300 мкВт.

Поддерживающая новый прибор демонстрационная плата DC1908A позволяет легко оценить возможности семейства LTC2338 в сопряжении с платами сбора данных DC590B (QuikEval) или DC718C (Pscope). Микросхемы полностью дифференциального семейства LTC2338-18 и псевдо-дифференциального LTC2328-18 выпускаются в миниатюрных корпусах MSOP-16 для коммерческого, промышленного и автомобильного диапазонов температур. Цены начинаются от $29.10 за одну микросхему для партий из 1000 приборов.

Также в сентябре свой 18-разрядный АЦП серии PulSAR AD7960 с производительностью 5 млн. выборок в секунду представила Analog Devices (ADI) (Рисунок 4). ADI заявляет, что устройство ориентировано на сигнальные цепи с малым потреблением, мультиплексированные системы, такие как цифровые рентгеновские аппараты, и приложения с избыточной дискретизацией, включая спектроскопию, магниторезонансную томографию и газовую хроматографию. AD7960 имеет рекордную частоту дискретизации 5 млн. выборок в секунду, рассеивая всего 39 мВт. Для этого прибора INL = ±0.8 LSB и SNR = 99 дБ при максимальной частоте дискретизации, а уровень собственных шумов относительно полной шкалы составляет 22.4 нВ/√Гц.

Рисунок 4.	Выпускаемый Analog Devices АЦП AD7960 семейства PulSAR, имея 18-битное разрешение и частоту преобразования 5 млн. выборок в секунду, расширяет семейство малопотребляющих схем компании, предназначенных для сбора данных.

В то же время, 16-битный АЦП AD7961 серии PulSAR компании ADI при частоте дискретизации 5 млн. выборок в секунду имеет великолепные значения SNR (95.5 дБ) и INL (±0.2 LSB). Для ввода/вывода используется не шина SPI, а малошумящий интерфейс низковольтной дифференциальной передачи сигналов (LVDS), работающий на частотах до 300 МГц.

Рисунок 5.	18-битный АЦП последовательных приближений ADS8881 компании Texas Instruments может работать с внешним источником опорного напряжения от 2.5 В до 5 В.

И, наконец, летом Texas Instruments выпустила свой 18-разрядный АПЦ последовательных приближений ADS8881 (Рисунок 5). Однополярный АЦП с нулевой конвейерной задержкой способен работать с внешним источником опорного напряжения от 2.5 В до 5 В, которое может превышать напряжение питания, что позволяет без дополнительного масштабирования иметь широкий выбор диапазонов входных сигналов. Опорное напряжение не зависит от напряжения питания аналоговой части и может превышать его.