簡介

delta-sigma ADC由於擁有高準確性及高雜訊抗擾性，因此是用來直接測量許多型式感測器的理想選擇。要求高精度量測的感測器，例如RTD、酸鹼度感測器、及橋式感測器等，通常擁有極高內阻抗值，而進入ADC的輸入取樣電流，將可能對高電源阻抗、低頻寬或微功率訊號處理電路產生不良影響。

問題來自於delta-sigma轉換器的切換電容輸入結構。當電容迅速地在輸入、參考及接地端之間根據最終輸出碼切換動作時（速率可高達10MHz），每當電容被切換至ADC 輸入，便將引起電流脈衝，而ADC 的輸入針腳處，可看到充電／放電脈衝曲線，這個曲線是輸入及參考電壓的複數函數。在各個取樣期間沒有完全被安置的外部RC網路、高阻抗感測器及微功率放大器，也將引起大DC錯誤。

欲解決此問題的技巧，是利用delta-sigma轉換器的過取樣特質，依據每個取樣基準切換的前端電容，和傳統delta-sigma轉換器取樣相同。凌力爾特（Linear）的創新Easy Drive 前端取樣架構，可控制電容列陣的開關曲線。當整個轉換週期進行總和時，全差動輸入電流為零，不會受到差動輸入電壓、共模輸入電壓、參考電壓或輸出代碼所影響。這個共模輸入電流是固定的，並與輸入共模電壓及參考共模電壓間的差動之間成比例。

這些Easy Drive ADC具備豐富的功能，但設計卻不複雜。在許多應用中，輸入不需主動放大或濾波作用，透過一個單一輸入暫存器及單一輸出暫存器，此軟體界面可大幅簡化。許多屬於ADC的複雜性、例如外部零組件及軟體計時等，都能輕易地排除，因而能大幅節省設計及測試時間。

熱敏電阻量測實例

delta-sigma ADC 的通用實例為熱敏電阻測量。(圖一) 則顯示受益於Easy Drive技術之熱敏電阻的兩個數位化案例。第一個用於輸入通道CH0 及CH1的電路，使用2個對等的參考電阻，來平衡共模輸入／參考電壓及平衡差動輸入來源阻抗。如果參考電阻R1及R4確實相等，此輸入電流為零，且無誤差產生。如果這些電阻具有1％誤差，則來自轉移至共模電壓的受測電阻，最大錯誤則是1.6?，遠低於參考電阻自身的1％誤差。由於不需放大器，因此本身就能成為微功率應用的理想解決方案。

《圖一　透過一個緩衝／低旁路濾波組合，高阻抗熱敏電阻可直接連接ADC路徑示意圖》 - BigPic:708x337

這種架構同樣可應用於非常低功耗且低頻寬的放大器，以驅動LTC2492 ADC的輸入。如圖一所示，CH2為LT1494所驅動。對於具備1.5μA供應電流的放大器而言，LT1494擁有絕佳的DC規格，其提供150μV的最大補償電壓及100000的開路迴路增益。然而，2kHz的頻寬量並不適合用來驅動傳統delta sigma ADC。如果加入一個1kΩ、0.1μF的濾波器，則可透過提供一個供應LTC2492瞬間電流的充電庫，來解決這個問題，1kΩ電阻則會從LT1494隔離電容性負載。傳統delta sigma ADC的輸入取樣電流，將因外部RC網路不完備的安置而導致DC錯誤。透過以1kΩ-0.1μF RC網路平衡負輸入電壓（CH3），則可讓共模輸入電流而產生的錯誤消除。

高效能資料擷取

透過軟體相容的24位元及16位元、1通道、4通道及16通道版本，Easy Drive ADC可提供廣泛的應用。具備內建溫度感測器的24位元、16通道LTC2498，是高效能資料擷取系統的理想選擇，其可直接數位化熱電偶，不需任何訊號處理並提供冷接面補償，同樣也可直接量測低位準的應變輸出；同時還能透過額外的簡易電阻分壓器，來處理大於5V的工業感測器電壓 ，而不需主動電路。

16 位元、16 通道轉換器則是在擁有數個高電流供應之大電路板中，量測電壓及電流的理想選擇。如果COM針腳針對所有供電接地至共位點，則將能同時量測16 個接地電壓。只要並聯共模電壓小於或等於ADC的供電電壓，運用8個差動輸入通道，便可達到電流並聯的高壓端感測。差動量測同時可進行遠端感測電壓，能排除因大接地電流而產生的誤差。整體而言，LTC2498 可量測8個差動輸入或16個接地參考／單端輸入。(圖二)所示則為一量測多台應變、電流感測及遠端感測器的實例示意圖。

《圖二　量測多台應變、電流感測及遠端感測器的實例示意圖》 - BigPic:560x319

外部緩衝／放大器之自動補償校準

除Easy Drive輸入電流取消之外，16 通道Easy Drive ADC 還可使外部放大器加入多工器輸出及ADC 輸入間，如(圖三)所示。對於無法平衡來源阻抗、或來源阻抗非常高的應用而言，這種設計非常實用，一雙外部緩衝／放大器可共用於16組類比輸入及共同輸入間（COM）。LTC2494 是LTC2498 之可編程增益版本的16 位元元件，其於任一轉換週期，均可進行內部補償校準，以排除ADC的偏置及漂移。此校準是透過一個前端切換及數位處理之組合來進行，由於外部放大器被置於多工器及ADC之間，因此位於正確迴路中，而能自動去除外部放大器的偏置及偏置漂移。

就此功能而言，LTC6078 能以低如2.7V之供應電壓操作，而其電壓雜訊位準則低如18nV／√Hz 。LTC2494的Easy Drive輸入，可使RC網路直接加入LTC6078的輸出。此電容能降低ADC輸入的電流衝擊，而電阻則會從運算放大器輸出隔離電容負載，達到穩定的操作性。

《圖三　外部緩衝提供高阻抗輸入、放大器補償自動取消路徑示意圖》

Easy Drive優點

使用delta sigma ADC來進行供電量測的另一項重大優點，則是雜訊及切換暫態的強大拒斥。ADC的內部SINC4 濾波器，結合在ADC輸入的簡易1-pole濾波器，可充分減弱切換供電的雜訊，到低於ADC的雜訊基準，達到對供電電壓或電流DC值的絕對精準量測。

單通道16位LTC2482可應用於可攜式醫療設備及消費性產品，低成本卻不影響其功能，此16位元ADC具備如同24位元元件相同600nV的輸入雜訊基準，這意味著其也是4又 1／2 位手持、或具備±1 count 線性規格之bench-top電壓表的理想選擇。

現有18位Easy Drive ADC包括具備I2C或SPI 介面的單一或多通道版本，此24 位元適合於高效能應用，而16位元元件則適合一般用途。16位元元件具備數位可編程增益（PGA），以符合介面需求，可包含數個輸入範圍之應用。

軟體介面

這些ADC所具備類比連接要求的簡易性，與其串行介面的簡易性相符。凌力爾特所推出的No Latency Delta-Sigma架構，免除了在多重通道元件切換通道後、需移除指數的煩惱。轉換的起始係由串列介面所直接控制，因此外部訊號處理或感測器激磁，可在適當的時機切換。在每個轉換過程中的補償及增益校準，可排除對複雜內部暫存器指令或校準循環的需求，SPI 及I2C介面零件之間的通訊，則是簡單的讀／寫運作，其中的轉換數據，將被讀取為針對下一通道的配置數據而編入ADC。

雖然Easy Drive串列介面的設定非常簡易，只需針對sample N讀取資料，並同時針對通道N+1進行設定即可，但從除錯器審閱通道微控制器的暫存器，試圖找出什麼資料已被讀取時，這仍是需要相當的技巧。Linear提供一項可具體降低編碼設計難題的硬體訣竅，如(圖四) 顯示，一個將已知電壓送至單端輸入的簡單電路，透過其所顯示的值，CH0擁有101mV的電壓、CH1為202mV，以此類推至CH15 所產生的電壓為1.616V，透過此方式，將可快速排出與各輸入通道相關的SDI代碼。

《圖四　可快速排出與各輸入通道相關的 SDI 代碼之示範電路示意圖》

結論

透過Easy Drive ADC架構，量測高阻抗感測器變得更簡單，設計師也可擺脫其ADC前端的放大器，而於ADC 輸入加入小型分離電容，以作為充電庫。透過單通道及多通道版本、I2C及 SPI、16或24 位元解析度， 完整的Easy Drive ADC系列將可精確地數位化任何感測器、負載電流或電壓。

（本文作者均任職於Linear凌力爾特）