단순한 하드웨어 & 소프트웨어 인터페이스로설계 노력을 감소시키는 Easy Drive 델타-시그마 ADC - Technology

Easy Drive ADC 아키텍처를 이용해, 고임피던스 센서를 측정하는 것은 쉽다. 설계자는 ADC 앞에 증폭기를 제거할 수 있으며 ADC 입력에 충전 저장소 역할을 위해 소형 디커플링 커패시터를 추가할 수 있다. 단일 채널 및 멀티 채널 버전, I2C 및 SPI, 16 또는 24비트 해상도를 갖춘, 통합형 Easy Drive ADC 제품군은 센서, 부하 전류 혹은 전압을 정확하게 디지털화 할 수 있다.
글│Mark Thoren and Steve Logan

높은 정확도와 높은 잡음 면역을 갖춘, 델타 시그마 ADC(Analog-to-Digital Converter)는 수많은 유형의 센서를 직접 측정하는데 이상적이다. RTDs, pH 센서, 브리지 센서와 같은 고정밀 측정을 요구하는 센서는 대규모의 고유 임피던스 값을 갖게 될 것이다. ADC에 대한 입력 샘플링 전류가 높은 소스 임피던스나 저대역폭, 마이크로 파워 신호 컨디셔닝 회로에 영향을 미칠 수 있다.

문제는 델타 시그마 컨버터의 스위칭 커패시터 입력 구조로 인해 발생된다. 커패시터는 최종 출력 코드 함수로써 입력, 레퍼런스, 접지 사이에서 급속하게 토글된다(최대 10MHz). 매 번 이러한 커패시터들이 ADC 입력으로 스위치 될 때 마다, 전류 펄스가 생성된다. 충전/방전 펄스의 패턴은 ADC의 입력 핀에서 나타난다. 이 패턴은 입력 및 레퍼런스 전압의 복잡한 기능이다. 동일한 기간 동안 완벽하게 안정화되지 않는 외부 RC 네트워크, 고 임피던스 센서, 마이크로 파워 증폭기는 대규모 DC 오류의 원인이 된다.

이러한 문제를 해결하는 방법은 델타 시그마 컨버터의 오버샘플링 이점을 이용하는 것이다. 샘플 기본 당 프런트 엔드 커패시터 스위칭은 전통적인 델타-시그마 컨버터 샘플링과 동일하다. 리니어 테크놀로지의 혁신적인 Easy DriveTM 프런트 엔드 샘플링 아키텍처는 커패시터 어레이의 스위칭 패턴을 조절한다. 총 변환 사이클에 대해 합산될 때, 총 차동 입력 전류는 제로이며, 차동 입력 전압, 커먼 모드 입력 전압, 레퍼런스 전압이나 출력 코드와 독립적이다. 커먼 모드 입력 전류는 일정하며, 입력 커먼 모드 전압 및 레퍼런스 커먼 모드 전압 사이의 차이에 비례한다.

이러한 Easy Drive ADC는 설계는 복잡하지 않으면서 이에 상응하게 기능이 풍부하다. 수많은 애플리케이션에서, 입력단에 액티브 증폭 또는 필터가 필요하지 않다. 단일 입력 레지스터 및 단일 출력 레지스터를 갖춘, 소프트웨어 인터페이스는 다른 ADC에 대비 매우 단순하다. 외장형 부품 및 소프트웨어 타이밍과 같이 ADC 주변의 복잡도는 단순하게 사라지며, 설계 및 테스트에서 상당한 시간을 단축시켜 준다.

서미스터 측정 사례

델타 시그마 ADC를 위한 일반적인 애플리케이션은 서미스터 측정이다. 그림 1은 Easy Drive 기술에서 혜택을 보는 서미스터 디지털화의 두 가지 사례를 보여준다. 첫 번째 회로(입력 채널 CH0 및 CH1에 적용)는 커먼 모드 입력/레퍼런스 전압의 균형을 맞추고 차동 입력 소스 저항의 균형을 맞추기 위해 2가지의 동일한 레퍼런스 레지스터를 사용한다.

레퍼런스 레지스터 R1 및 R4가 정확하게 동일하면, 입력 전류는 제로가 되고 오류는 발생하지 않는다. 이러한 레지스터가 1% 톨러런스를 가지고 있을 경우, 측정된 저항에서 최대 오류는 커먼 모드 전압의 이동으로 1.6Ω이 되며, 레퍼런스 레지스터 자체의 1% 보다 훨씬 더 작다. 증폭기는 더 이상 요구되지 않아, 마이크로 파워 애플리케이션을 위해 이상적인 솔루션이 된다. 이 아키텍처는 LTC2492 ADC의 입력을 구동하기 위해 매우 낮은 전력, 저대역폭 증폭기로 실현 가능하다. 그림 1에서 보듯이, CH2는 LT1494로 구동된다. LT1494는 1.5μA 전원 전류를 갖춘 증폭기로 뛰어난 DC 스펙을 보유하고 있으며, 150μV의 최대 오프셋 전압 및 100,000의 개방형 루프 이득을 제공한다.

그러나, 2kHz 대역폭은 전통적인 델타 시그마 ADC를 구동하는데 적합하지 않게 한다. 1kΩ에 추가된, 0.1μF 필터는 LTC2492 순간 전류를 제공하는 충전 저장소로 사용되며 이 문제를 해결한다.

반면 1kΩ 레지스터는 LT1494에서 용량성 부하를 절연시킨다. 전통적인 델타 시그마 ADC의 샘플링 전류는 DC 오류를 발생시킨다. 그 결과 외부 RC 네트워크에서 불완전한 안정화 결과가 나타난다. 네거티브 입력(CH3)을 1kΩ-0.1μF RC 네트워크로 균형화 시킴으로써, 커먼 모드 입력 전류로 인한 오류를 제거한다.

고성능 데이터 수집

소프트웨어 호환형 24비트 및 16비트, 4채널 및 16채널 버전을 갖춘, Easy Drive ADC는 광대한 애플리케이션의 총화다. 온도 센서를 내장한 24비트, 16채널 LTC2498은 고성능 데이터 수집 시스템을 위해 이상적이다. 이것은 신호 조정 없이 써모커플을 직접 디지털화할 수 있으며 냉각 접합 보정을 제공한다. 이것은 로우 레벨 스트레인 게이지 출력을 직접 측정할 수도 있다. 동시에, 간단한 저항성 디바이더 추가로 5V 이상의 산업 센서 전압을 조절할 수 있다 - 액티브 회로가 필요 없다.

16비트, 16채널 컨버터는 여러 개의 고전류 전원 장치를 갖춘 대규모 회로 보드에서 전압과 전류를 측정하는데 적합하다. COM 핀이 모든 전원 장치를 위해 GND로 접지되는 경우, 최대 16개의 GND기준 측정이 수행될 수 있다. 션트 커먼 모드 전압이 ADC의 전원 전압보다 더 작거나 동일한 경우 입력을 사용하는 것은 전류 션트의 하이-사이드 센싱(최대 8개의 차동 입력 채널)을 차동적으로 가능하게 한다. 차동 측정을 통해 전압은 원거리로 센스될 수 있으며, 큰 접지전류로 인한 오류를 제거한다. 다중 스트레인 게이지, 전류 센싱 및 원거리 센서를 측정하는 예를 위해 그림 2를 참조하자.

외부 버퍼/증폭기의 자동 오프셋 보정

Easy Drive 입력 전류 취소와 함께, 16채널 Easy Drive ADC는 외부 증폭기는 멀티 플렉서 출력과 ADC 입력 사이에 삽입할 수 있다(그림 3참조). 이것은 균형화된 소스 임피던스가 불가능한 애플리케이션이나 소스 임피던스가 매우 높은 애플리케이션에서 유용하다. 한 쌍의 외부 버퍼/증폭기는 16개의 아날로그 입력 및 COM(Common Input) 사이에서 공유될 수 있다. LTC2494는 LTC2498의 프로그래머블 이득 버전으로 16비트이다.

LTC2494는 오프셋과 ADC의 드리프트를 제거하기 위해 매 변환 주기마다 내부 오프셋 보정을 수행한다. 이 보정은 프런트 엔드 스위칭과 디지털 프로세싱의 결합을 통해 수행된다. 외부 증폭기는 멀티플렉서 및 ADC 사이에 위치될 수 있기 때문에, 이것은 보정 루프 내에 존재한다. 이것은 오프셋의 자동적인 제거 및 외부 증폭기의 오프셋 드리프트의 결과를 초래한다.

LTC6078은 이 기능을 위한 우수한 증폭기이다. 이것은 2.7V 만큼 낮은 전원 전압으로 동작하며, 전압 잡음 레벨은 18nV/ Hz로 낮다. LTC2494의 Easy Drive 입력을 통해 RC 네트워크는 LTC6078의 출력에 직접 연결할 수 있다. 커패시터는 ADC에 대한 입력에서 나타나는 전류 스파이크의 크기를 감소시키며 레지스터는 안정적인 동작을 실현시키는 연산-증폭기 출력으로부터 커패시터 부하를 절연시킨다.

Easy Drive 장점

전원 공급장치 측정을 위해 델타 시그마 ADC를 사용하는 가장 큰 장점은 잡음과 스위칭 과도상태에 대한 매우 강력한 제거이다. ADC의 내부 SINC4 필터는 ADC 입력에서 1-폴 필터와 함께, 스위칭 전원 공급장치 잡음을 ADC 잡음 플로우 미만으로 감쇄시키는 데 알맞다. 남겨진 것은 전원 공급장치 전압이나 전류의 DC 값에 대한 매우 정확한 측정이다.

단일 채널 16비트 LTC2482는 휴대형 의료용 디바이스 및 컨수머 제품과 같은 비용에 민감한 애플리케이션에 이상적이다. 상대적으로 낮은 비용에 놀라지 말자. 이것은 24비트 부품으로 동일한 600mV 입력 잡음 플로어를 공유하는 완벽한 16비트 ADC이다. 이것은 4 1/2 디지트 핸드헬드나 ±1 카운트 선형성 스펙을 갖춘 벤치-탑 볼트미터를 위해 이상적이다.

18개가 이용 가능한 Easy Drive ADC는 I2C 나 SPI인터페이스를 갖춘 단일형 또는 멀티-채널 버전을 포함한다. 24비트 디바이스들은 매우 고성능 애플리케이션에 적합하며, 16비트 디바이스들은 범용 애플리케이션에 적합하다. 디지털 PGA(Programmable Gain)는 중간적인 요구조건에 대한 16비트 디바이스나 여러 개의 입력 범위가 수용될 수 있는 곳에서 이용할 수 있다.

소프트웨어 인터페이스

이러한 ADC의 아날로그 인터페이스 요구조건의 단순성은 시리얼 인터페이스의 간단성과 결합된다. No Latency Delta-SigmaTM 아키텍처는 다중 채널 디바이스에서 스위칭 채널 이후의 판독을 처분해야 하는 어려움을 제거한다. 변환의 시작은 시리얼 인터페이스로 직접 제어된다.

따라서, 외장형 신호 컨디셔닝이나 센서 여기는 적절한 시간에 스위치 될 수 있다. 모든 변환에서 발생되는 잠재된 오프셋과 이득 보정은 복잡한 내부 레지스터 셋트나 보정 싸이클에 대한 필요성을 없앤다. SPI 및 I2C 인터페이스를 하는 부품과의 통신은 하나의 변환 데이터를 읽는 라인을 통해 ADC의 다음 채널의 구성을 읽기/쓰기를 할 수 있다.

리니어 테크놀로지 웹사이트에서 델타 시그마 ADC를 갖춘 기본적인 SPI and I2C 사례를 위한 소프트웨어/펌웨어 도움 되는 것들을 찾을 수 있다.

Easy Drive 시리얼 인터페이스는 프로그램 하기 쉬운 반면(샘플 N을 위해 데이터를 판독하면서 샘플 N+1을 위해 채널을 프로그램 한다) 이것은 채널 마이크로 컨트롤러의 레지스터를 디버거를 통해 살펴 볼 때 단순히 판독되는 것을 찾는 것은 여전히 미묘할 수 있다. 여기에 코드 설계와 관련되어 두통을 상당히 감소시킬 수 있는 하드웨어 트릭이 있다.

그림 4는 각 단일 종단형 입력에 대해 알려진 전압을 적용하는 간단한 회로를 보여준다. 보여지는 수치대로, CH0는 101mV의 전압, CH1은 202mV의 전압, 그리고 1.616V를 생성하는 최대 CH15의 전압을 갖는다. 어떠한 SDI 워드가 각 입력 채널과 관련이 있는지 신속하게 선별할 수 있는 이 셋업을 이용해 보자.

결론