Linear Technology的Delta-Sigma数字转换器产品系列简化了各种应用。该产品的易用性和高精度，无需校准，外部时钟或复杂的接口，使设计人员能够重新思考他们的系统架构。

虽然24位对某些人来说似乎有些过分，但许多设计人员发现这些高分辨率转换器具有显着的优势。这样的优点之一是消除了前端放大。这使得许多传感器能够直接数字化，同时消除与前端偏移和增益误差相关的问题，并简化了皮重调整。使用LTC2400系列的设计人员通常解决的一个误解是速度和分辨率之间的关系。许多设计人员发现，具有平均功能的高速adc不能满足LTC2400系列的单次性能。LTC2400系列的绝对精度在称重秤应用中使用桥式传感器进行了演示。

产品系列概述

LTC2400产品家族(见图1中的产品家族树)分为单端和差分输入器件。单端器件具有引脚兼容的20位和24位版本，具有1、2、4和8通道实现。差分部件提供超低噪声(低至800nV(RMS))，微小封装(小至MSOP-10)和同时50Hz/60Hz抑制(LTC2413)。未来的产品包括多通道、20位、引脚兼容的差分器件和高速器件。

LTC2400系列常见的几个关键特性将其与目前可用的其他高分辨率转换器区分开来。第一个特点是高度精确的片上振荡器，使交流线路频率干扰最小抑制110dB，无需外部频率设置设备。第二个特点是没有数字滤波器的沉降延迟。这样可以实现简单的多路复用，而无需筛选冗余或无用的数据。LTC2400系列提供对用户透明的连续偏移和全尺寸校准。这导致偏移精度小于百万分之一(ppm)，漂移为0.002ppm/°C，满量程精度小于4ppm，漂移小于0.01ppm/°C。总体(绝对)精度(偏置+满量程+线性度+温度漂移)通常在±2ppm的总误差范围内(参见图2)。

基于这些典型的性能特征，LTC2400系列转换器可以以几种非常规的方式使用，从而简化设计并提高系统性能。

消除前端放大(无PGAs)

可编程增益放大器(pga)通常用于数字转换器前，以放大低电平输入信号，以改善整体噪声性能。简单地说，PGA增加了ADC看到的输入信号，从而减少了输入端的有效LSB步长，同时减小了输入跨度。

通常，设计人员在前端施加足够的增益以使用ADC的全动态范围。例如，如果传感器产生的信号在0mV和20mV之间(见图3)，前端放大250x将施加到ADC的信号增加到5V。这相当于来自14位ADC的16,384个计数。同样的20mV传感器信号直接应用到LTC2410(22.6有效位)产生25000个计数。而不是使用低分辨率ADC(12,14或16位)的整个动态输入范围，传感器输入应用于高分辨率ADC(20或24位)输入范围的一小部分。与使用前端放大的设计相比，直接数字化有几个优点。

直接数字化消除了PGA偏移误差和处理传感器容易

与前端放大相关的一个问题是偏移误差和压力调整的影响。例如，应用于前端放大器的一个小偏移会导致ADC输入超出动态输入范围(见图4)。在放大之前，必须从传感器信号中去除这些偏移/位移值。这增加了输入路径的复杂性。另一方面，由于LTC2410仅使用其动态输入范围的一小部分，因此即使是较大的偏置/重置电压也可以简单地以数字方式去除。此外，与前端放大器和低分辨率ADC相比，LTC2410的偏置(<1ppm)和漂移(0.002ppm/°C)可以忽略不计。

直接数字化消除了PGA增益误差

与pga相关的第二个问题是增益和增益漂移，使用LTC2400系列直接数字化可以克服这个问题。为了实现PGA，通常使用外部比例电阻。这些电阻之间的不匹配和温度变化导致系统增益误差。内置pga的adc使用电容比率来设置增益。同样，这些比率是不同的，导致误差通常在0.1%的范围内(10比特)。使用LTC2400系列的直接数字化消除了这些增益误差。例如，包括温度漂移在内，与LTC2410相关的总误差在±1.5ppm(0.00015%)以内(见图2)。因此，使用LTC2400系列的直接数字化提供了比传统ADC/PGA设计显著的性能优势，同时大大简化了前端。

速度神话——更快未必更快

在高分辨率adc领域，转化率经常被误解。设计人员对高精度直流测量的一个要求是抑制交流线路频率。一个sinc(4) ADC可以产生完全稳定数据的最快速率是f(NOTCH)/4。为了使LTC2415拒绝60Hz，其输出速率为15Hz。传统的得尔塔 - 西格马转换器输出数据更快，为f(NOTCH) (60Hz)，但由于冗余数据，更高的速度并不像最初出现的那样有用。每个转换结果是前四个转换结果的加权平均值。尽管传统转换器产生的输出速率比LTC2415快四倍，但有用的转换率是相同的。

更多的数据≠更多有用的数据

当将LTC2400器件的输出速率与传统得尔塔 - 西格马 adc的输出速率进行比较时，必须考虑数据延迟问题。LTC2400滤波器没有延迟:每个转换结果都是有效的。传统的得尔塔 - 西格马转换器产生有效的转换结果和冗余的数据。如果滤波器沉降时间为4个周期(4阶sinc滤波器)，则每4个转换结果中有3个是冗余的。每当输入发生变化时(例如当多路复用器输入发生变化时)，由于滤波器沉降误差，以下三个转换结果是不准确的。

如图5所示，应用于传统delta-sigma转换器(输出数据速率60Hz)的阶梯输入信号与15Hz的LTC2415输出数据相比没有任何优势。这两种设备都提供60Hz交流线频率抑制，并提供15Hz速率的有效转换结果。唯一的区别是LTC2415没有输出与过滤器沉降相关的错误数据。

同样，更多的频次/秒并不能产生更高的输入带宽(见图6)。在这种情况下，由于滤波器沉降误差，与输出速率同步变化的输入信号不能被准确捕获。每个结果都是前四个转换结果的加权平均值。为了使转换结果有效，输入信号必须在连续四个转换周期内保持稳定。因此，与LTC2415相比，更高输出速率的器件在输入信号带宽方面没有优势。

更高的Re +平均值≠更好的噪声抑制

得尔塔 - 西格马转换器由一个调制器和一个数字滤波器组成。数字滤波器的一个特点是在其陷波频率处具有高抑制，陷波频率与输出速率有关。在传统的delta-sigma ADC中，60Hz输出速率在60Hz加上谐波时产生出色的抑制(Sinc(4))(见图7)。

如果输出速率加倍，4阶滤波器陷波从60Hz移动到120Hz。如果该双倍输出速率数据的平均值为2到1，则有效输出速率变为60Hz。由于2:1平均，四阶零保持在120Hz，一阶(Sinc(1))陷波在60Hz产生。与工作在较低速度下的ADC相比，60Hz的陷波比工作在60Hz输出的相同器件(60Hz的Sinc(4)陷波)提供更低的抑制噪声。增加数据输出和平均并不能改善噪声抑制。

更高的分辨率+平均值≠更高的分辨率

许多传统的得尔塔 - 西格马转换器以降低分辨率为代价提供更高的输出速率。许多系统设计者，在努力提高整体系统的分辨率，运行这些转换器在最快的速度，然后平均结果。如前所述，这并不能提高ADC的噪声抑制能力。

得尔塔 - 西格马 ADC的部分由高阶调制器组成，该调制器对输入信号的采样速度比实际输出速率快许多倍;这个比率被定义为过样本比率(OSR)。在三阶调制器的情况下，OSR每增加一倍，噪声提高3.5位。提高输出速率的一种方法是降低OSR。如图8所示，输出速率每增加一倍(OSR降低2)，分辨率就降低3.5位。每增加一倍的平均值，分辨率只提高0.5位。如图8所示，从一个24位设备开始，将OSR降低8倍(将设备速度提高8倍)，分辨率降低到14.5位。一旦将8个样本平均为1的归一化输出速率，分辨率提高1.5位，达到14位，比初始部分在原始输出速率下运行差10位。

例如，常用的传统高分辨率delta-sigma ADC提供快速模式，64kHz输出速率，分辨率为11位。这比在7.5Hz输出速率下工作的LTC2410快853倍，分辨率为22.6位。通过平均额外的853转换结果，11位分辨率提高了0.5·log(853)/log(2)≈5位，从而得到16位的总分辨率。这个结果没有考虑到冗余数据。由于滤波器沉降，64kHz输出率包含四个冗余输出数据中的三个。结果是√2平均的损失，或者0.5比特分辨率的损失。与LTC2410的22.6位单镜头分辨率相比，这只剩下15.5位分辨率和平均853个数据点的开销。

Demonstration-Direct数字化

为了演示LTC2400系列产品的易用性和准确性，将10mV全尺寸桥接在称重秤上，并由LTC2410直接数字化(见图9)。使用演示板DC291A进行测量(合格客户可获得，请联系LTC市场部获取信息)。进行了各种测量，并捕获了演示程序屏幕的输出，并在这里展示。

前两次测量(参见图10)是空磅秤(建立数字皮尺)和使用镍(美国5美分硬币)的磅秤的结果。最初，ADC测量36.0674ppm的满量程(对应于180µV的传感器电压)。使用硬币时，ADC读数为满量程的36.274ppm。数字去除皮电压，镍的重量对应于0.21ppm或1.05µV。

接下来，将镍币从秤上取下，将一袋15000便士(美国1美分硬币)应用到秤上，参见图11。ADC输出读数为1110.3683ppm或ADC满量程输出的1/1000和传感器满量程输出的一半。然后将镍币添加到15,000枚便士的顶部(参见图12)。ADC读数为满量程的1.1106087ppm。从硬币袋加上镍中减去硬币袋的尺寸，得到0.24ppm的全尺寸。该结果与镍的初始测量值相差0.03ppm(0.000003%)，证明了LTC2410的绝对精度和直接数字化的优势。

结论

在过去的几年里，Linear公司推出了一个基于革命性新架构的12个delta-sigma到数字转换器系列，使其易于使用和高精度。这些器件的精度使目前使用PGAs的许多应用能够迁移到直接数字化。直接数字化的优点包括简单的传感器偏移/脱皮处理，没有PGA增益误差问题，通过去除前端电路降低成本/增加简单性。此外，其高阶片上滤波器和2ppm的单次精度比在更高输出速率下运行的同类部件具有更好的性能。线性有许多演示板和简单的软件提供给合格的客户快速评估LTC2400系列。