如何在DDC112上使用外部积分电容器

2007-11-29 13:58:17来源: 国外电子元器件 关键字:放大  模拟  测量  量程

1 引言

本文探讨了当在DDC112上使用外部积分电容器时所产生的问题,并对DDC112的产品资料做了进一步阐述,为用户选择外部电容器提供有效帮助,同时还提供性能数据并探讨电路的布局问题。此外,还阐述了DDC112的工作原理。

2 DDC112外接积分电容器

DDC112的数字输入引脚RANGE0、RANGE1以及RANGE2的设置为满量程输入范围。表1列出了各种组合的相应数值。RANGE1至RANGE 7为满量程范围,其起点是50 pC,每多一级增加50 pC。这些范围通过内部电容器输入到DDC112。对于需要其他范围的应用,Range0容许用户采用关闭内部电容器而使用外部电容器的方法选择满量程范围。图1给出了采用外部积分电容器的前端积分器电路结构。积分电容器通过DDC112的引脚3-6和引脚23-26连接至运算放大器。需要注意的是:DDC112的引脚3、5、24及26是通过内部电路直接与输入端1和2连接的。这些引脚非常敏感,因此必须格外小心谨慎。表2所列汇总了上述连接情况。没有使用外部电容器时,需断开DDC112的引脚3-6和引脚23-26。DDC112通过内部电路将其连接在一起,然后模拟接地。



不管是使用内部积分电容器,还是外部积分电容器,DDC112的工作原理都是一样的。首先,积分电容器预先向VREF充电。随着DDC112和电容器积分,输入信号将释放电容器的电荷,从而使运算放大器输出端的电压降低。当积分结束时,输入信号将切换至另一侧,此时,电压输入型ADC测量VREF的保持值。上述循环将持续不断、有效地进行,可不断积分输入信号。

3 选择电容器

积分电容器和VREF设定满量程。当使用外部积分电容器时,满量程范围的计算公式如下:

QFS≈0.96 VREF CEXT

因此,达到满量程值的平均电流的计算公式:

IPS=QFS/TINT≈(0.96 VREF CEXT)/TINT

外部电容器能够选择所需的满量程范围。外部量程范围应大于所能获得的内部量程范围。当采用容量值较小的外部电容器时,对范围小于350 pC的应用而言,最好选用内部电容器。因为这类电容器的线性特点往往更显著,而且采用内部量程范围时,积分器电路的噪声性能也会有所提高。再者,使用内部电容器还可减少元件数,并降低印刷电路板(PCB)的占用空间。

通常输入端A侧和B侧应采用同容量的电容器,这样有助于平衡A侧和B侧之间的偏移和增益。如果由于某种原因,需要在A侧和B侧选用不同容量的电容器,那么则被局限于容量较小电容器的满量程范围。这是因为超过积分器电路满量程范围的输入信号会使运算放大器的输出信号接地。运算放大器在输入端不再提供一个虚拟接地,同时额外输入电流使输入节点的电平升高至接地电平以上——直至输入端的ESD二极管(图1中未标出)点亮为止。输入端的电压产生电荷累积。当积分电容器切换至另一侧时,电荷也随之转移到该侧的积分电容器,导致错误产生。通常这种错误现象足以使在容量较大的电容器侧的数据不能正常使用。例如,假设A侧和B侧分别采用100 pF和200 pF容值的电容器、VREF=4.096 V且积分时输入信号施加的总电荷为500 pC。该信号高于A侧的满量程值(393 pc),但未高于B侧的满量程值(786 pC)。A侧积分时,该侧运算放大器电压升高,从而导致输入端的电平高于接地电平。接着,在输入端累积电荷,而且当积分电容器切换至其他侧时,电荷也随之转移至B侧。即使输入信号低于B侧的满量程范围,这种电荷也会产生一种误差,而这种误差将导致B侧的读数错误。为了确保B侧数据有效,输入信号必须维持在A侧较小的满量程范围内。由于输入端1和输入端2的限制条件各有不同,因此,这两个输入端可采用不同容量的电容器。

积分电容器规定的最大容量为250 pF。当VREF=4.096 V时,该值约为1 000 pC的满量程值——这是一个保守的数值。对于很多应用而言,可采用容量更大的电容器。实验已经证明,即使电容器容量超过2nF(≈7 800 pC)、CLK=10 MHz,在室温条件下,也能获得良好效果。另外,当积分电容器拥有更多的时间对VREF预充电时,通过降低CLK值的方法可采用容量更大的电容器。

DDC112的最大输入电流为750 mA。当采用大容量的外部电容器时,不应高于该极限值。另外,当输入电流非常大时,DDC112仍能正常工作。但是,如果在这种大电流下工作,将使内部金属连接线承受比较大的压力,从而导致性能欠佳的器件发生故障。

4 选择电容器的电介质

外部积分电容器的性能对DDC112影响非常大。关键的参数包括电压系数、温度系数和电介质吸收。电容器的电压系数是指降低INL的非线性特性。温度系数是指相对于温度产生的增益误差漂移。而电介质吸收不仅可以降低高频率输入信号的性能,而且还会影响线性。

适宜制作电容器的电介质包括高质量的多层陶瓷、云母以及聚苯乙烯。电容器的尺寸应较小,尽可能的靠近DDC112放置。通常采用表面贴装陶瓷COG(NPO)电容器。该电容器体积小巧、成本低廉、稳定性好,而且各种容量等级应有尽有。最后,请务必注意:不要选用X7R和Z5U型陶瓷电容器,因为这些电容器的线性非常差。

5 性能

5.1 噪声

在DDC112中,噪声主要来源是前端积分器和电压输入型ADC。对内部电容器范围,尤其是对范围较小应用而言,前端积分器是主要噪声。这种噪声与积分电容器的容量成反比,而与传感器电容(CSENSOR)成正比。由于外部电容器的容量通常比内部电容器容量大得多,所以当采用外部电容器时,积分器电路所产生的噪声通常较低。这样反过来则降低了噪声对CSENSOR的敏感性。图2为不同容量外部电容器(CEXT)典型噪声(当输入信号电平较低时)与CSENSOR之间的关系曲线。需要注意,由于前端积分器电路敏感性的降低,大容量外部电容器噪声斜率是随CSENSOR曲线下降的。

5.2 线性

前端积分器电路设定了DDC112的线性性能,而且在积分器电路中,积分电容器的电压系数限定了线性。当输入信号增大时,积分电容器两端的电压也随之上升。这样,由于电容器的非零电压系数反过来也改变了积分电容器的容量,同时导致传输函数偏离理想的线性积分器电路。

值得庆幸的是,DDC112内部电容器的电压系数较低,并提供了良好的性能。为了使外部电容器也具备同样的良好的性能,关键是选用电压系数低的电容器。图3位积分非线性(INL)与配置陶瓷COG电容器的DDC112输出读数之间的关系曲线。采用终点适配(endpoint fit)计算INL。外部电容器的容量约为270 pF,积分时间为500μs。为了便于比较,同时图3给出了内部最大电容器的INL(Rang7)。

6 PCB布局

外部电容器的布局及印制电路板上的布线非常重要。用诸如“0805”的表面贴装的电容器,在PCB上无需过孔,就可实现紧密的布局。为了简化起见,图4给出了只带有外部电容器的放大后的布局图。其中引脚3、5、24及26通过内部电路直接与输入端相连,且应尽可能的短,以减少信号拾取和泄漏。考虑采用顶层金属作为接地层,同时确保接地层围住电容器,布线具有屏蔽功能。如果不同层充当接地层,则将外部电容器附近的未用金属扎在一起,然后接地,就形成一种屏蔽防护。切记,如果未启用外部电容器,应将引脚3-6和引脚23-26悬空。

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