如何在DDC112上使用外部積分電容器

　　1 引言

　　本文探討了當(dāng)在DDC112上使用外部積分電容器時(shí)所產(chǎn)生的問(wèn)題，并對(duì)DDC112的產(chǎn)品資料做了進(jìn)一步闡述，為用戶選擇外部電容器提供有效幫助，同時(shí)還提供性能數(shù)據(jù)并探討電路的布局問(wèn)題。此外，還闡述了DDC112的工作原理。

　　2 DDC112外接積分電容器

　　DDC112的數(shù)字輸入引腳RANGE0、RANGE1以及RANGE2的設(shè)置為滿量程輸入范圍。表1列出了各種組合的相應(yīng)數(shù)值。RANGE1至RANGE 7為滿量程范圍，其起點(diǎn)是50 pC，每多一級(jí)增加50 pC。這些范圍通過(guò)內(nèi)部電容器輸入到DDC112。對(duì)于需要其他范圍的應(yīng)用，Range0容許用戶采用關(guān)閉內(nèi)部電容器而使用外部電容器的方法選擇滿量程范圍。圖1給出了采用外部積分電容器的前端積分器電路結(jié)構(gòu)。積分電容器通過(guò)DDC112的引腳3-6和引腳23-26連接至運(yùn)算放大器。需要注意的是：DDC112的引腳3、5、24及26是通過(guò)內(nèi)部電路直接與輸入端1和2連接的。這些引腳非常敏感，因此必須格外小心謹(jǐn)慎。表2所列匯總了上述連接情況。沒有使用外部電容器時(shí)，需斷開DDC112的引腳3-6和引腳23-26。DDC112通過(guò)內(nèi)部電路將其連接在一起，然后模擬接地。

　　不管是使用內(nèi)部積分電容器，還是外部積分電容器，DDC112的工作原理都是一樣的。首先，積分電容器預(yù)先向VREF充電。隨著DDC112和電容器積分，輸入信號(hào)將釋放電容器的電荷，從而使運(yùn)算放大器輸出端的電壓降低。當(dāng)積分結(jié)束時(shí)，輸入信號(hào)將切換至另一側(cè)，此時(shí)，電壓輸入型ADC測(cè)量VREF的保持值。上述循環(huán)將持續(xù)不斷、有效地進(jìn)行，可不斷積分輸入信號(hào)。

　　3 選擇電容器

　　積分電容器和VREF設(shè)定滿量程。當(dāng)使用外部積分電容器時(shí)，滿量程范圍的計(jì)算公式如下：

　　QFS≈0.96 VREF CEXT

　　因此，達(dá)到滿量程值的平均電流的計(jì)算公式：

　　IPS=QFS/TINT≈(0.96 VREF CEXT)/TINT

　　外部電容器能夠選擇所需的滿量程范圍。外部量程范圍應(yīng)大于所能獲得的內(nèi)部量程范圍。當(dāng)采用容量值較小的外部電容器時(shí)，對(duì)范圍小于350 pC的應(yīng)用而言，最好選用內(nèi)部電容器。因?yàn)檫@類電容器的線性特點(diǎn)往往更顯著，而且采用內(nèi)部量程范圍時(shí)，積分器電路的噪聲性能也會(huì)有所提高。再者，使用內(nèi)部電容器還可減少元件數(shù)，并降低印刷電路板(PCB)的占用空間。

　　通常輸入端A側(cè)和B側(cè)應(yīng)采用同容量的電容器，這樣有助于平衡A側(cè)和B側(cè)之間的偏移和增益。如果由于某種原因，需要在A側(cè)和B側(cè)選用不同容量的電容器，那么則被局限于容量較小電容器的滿量程范圍。這是因?yàn)槌^(guò)積分器電路滿量程范圍的輸入信號(hào)會(huì)使運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)接地。運(yùn)算放大器在輸入端不再提供一個(gè)虛擬接地，同時(shí)額外輸入電流使輸入節(jié)點(diǎn)的電平升高至接地電平以上——直至輸入端的ESD二極管(圖1中未標(biāo)出)點(diǎn)亮為止。輸入端的電壓產(chǎn)生電荷累積。當(dāng)積分電容器切換至另一側(cè)時(shí)，電荷也隨之轉(zhuǎn)移到該側(cè)的積分電容器，導(dǎo)致錯(cuò)誤產(chǎn)生。通常這種錯(cuò)誤現(xiàn)象足以使在容量較大的電容器側(cè)的數(shù)據(jù)不能正常使用。例如，假設(shè)A側(cè)和B側(cè)分別采用100 pF和200 pF容值的電容器、VREF=4.096 V且積分時(shí)輸入信號(hào)施加的總電荷為500 pC。該信號(hào)高于A側(cè)的滿量程值(393 pc)，但未高于B側(cè)的滿量程值(786 pC)。A側(cè)積分時(shí)，該側(cè)運(yùn)算放大器電壓升高，從而導(dǎo)致輸入端的電平高于接地電平。接著，在輸入端累積電荷，而且當(dāng)積分電容器切換至其他側(cè)時(shí)，電荷也隨之轉(zhuǎn)移至B側(cè)。即使輸入信號(hào)低于B側(cè)的滿量程范圍，這種電荷也會(huì)產(chǎn)生一種誤差，而這種誤差將導(dǎo)致B側(cè)的讀數(shù)錯(cuò)誤。為了確保B側(cè)數(shù)據(jù)有效，輸入信號(hào)必須維持在A側(cè)較小的滿量程范圍內(nèi)。由于輸入端1和輸入端2的限制條件各有不同，因此，這兩個(gè)輸入端可采用不同容量的電容器。

　　積分電容器規(guī)定的最大容量為250 pF。當(dāng)VREF=4.096 V時(shí)，該值約為1 000 pC的滿量程值——這是一個(gè)保守的數(shù)值。對(duì)于很多應(yīng)用而言，可采用容量更大的電容器。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，即使電容器容量超過(guò)2nF(≈7 800 pC)、CLK=10 MHz，在室溫條件下，也能獲得良好效果。另外，當(dāng)積分電容器擁有更多的時(shí)間對(duì)VREF預(yù)充電時(shí)，通過(guò)降低CLK值的方法可采用容量更大的電容器。

　　DDC112的最大輸入電流為750 mA。當(dāng)采用大容量的外部電容器時(shí)，不應(yīng)高于該極限值。另外，當(dāng)輸入電流非常大時(shí)，DDC112仍能正常工作。但是，如果在這種大電流下工作，將使內(nèi)部金屬連接線承受比較大的壓力，從而導(dǎo)致性能欠佳的器件發(fā)生故障。

　　4 選擇電容器的電介質(zhì)

　　外部積分電容器的性能對(duì)DDC112影響非常大。關(guān)鍵的參數(shù)包括電壓系數(shù)、溫度系數(shù)和電介質(zhì)吸收。電容器的電壓系數(shù)是指降低INL的非線性特性。溫度系數(shù)是指相對(duì)于溫度產(chǎn)生的增益誤差漂移。而電介質(zhì)吸收不僅可以降低高頻率輸入信號(hào)的性能，而且還會(huì)影響線性。

　　適宜制作電容器的電介質(zhì)包括高質(zhì)量的多層陶瓷、云母以及聚苯乙烯。電容器的尺寸應(yīng)較小，盡可能的靠近DDC112放置。通常采用表面貼裝陶瓷COG(NPO)電容器。該電容器體積小巧、成本低廉、穩(wěn)定性好，而且各種容量等級(jí)應(yīng)有盡有。最后，請(qǐng)務(wù)必注意：不要選用X7R和Z5U型陶瓷電容器，因?yàn)檫@些電容器的線性非常差。

　　5 性能

　　5.1 噪聲

　　在DDC112中，噪聲主要來(lái)源是前端積分器和電壓輸入型ADC。對(duì)內(nèi)部電容器范圍，尤其是對(duì)范圍較小應(yīng)用而言，前端積分器是主要噪聲。這種噪聲與積分電容器的容量成反比，而與傳感器電容(CSENSOR)成正比。由于外部電容器的容量通常比內(nèi)部電容器容量大得多，所以當(dāng)采用外部電容器時(shí)，積分器電路所產(chǎn)生的噪聲通常較低。這樣反過(guò)來(lái)則降低了噪聲對(duì)CSENSOR的敏感性。圖2為不同容量外部電容器(CEXT)典型噪聲(當(dāng)輸入信號(hào)電平較低時(shí))與CSENSOR之間的關(guān)系曲線。需要注意，由于前端積分器電路敏感性的降低，大容量外部電容器噪聲斜率是隨CSENSOR曲線下降的。

　　5.2 線性

　　前端積分器電路設(shè)定了DDC112的線性性能，而且在積分器電路中，積分電容器的電壓系數(shù)限定了線性。當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí)，積分電容器兩端的電壓也隨之上升。這樣，由于電容器的非零電壓系數(shù)反過(guò)來(lái)也改變了積分電容器的容量，同時(shí)導(dǎo)致傳輸函數(shù)偏離理想的線性積分器電路。

　　值得慶幸的是，DDC112內(nèi)部電容器的電壓系數(shù)較低，并提供了良好的性能。為了使外部電容器也具備同樣的良好的性能，關(guān)鍵是選用電壓系數(shù)低的電容器。圖3位積分非線性(INL)與配置陶瓷COG電容器的DDC112輸出讀數(shù)之間的關(guān)系曲線。采用終點(diǎn)適配(endpoint fit)計(jì)算INL。外部電容器的容量約為270 pF，積分時(shí)間為500μs。為了便于比較，同時(shí)圖3給出了內(nèi)部最大電容器的INL(Rang7)。

　　6 PCB布局

　　外部電容器的布局及印制電路板上的布線非常重要。用諸如“0805”的表面貼裝的電容器，在PCB上無(wú)需過(guò)孔，就可實(shí)現(xiàn)緊密的布局。為了簡(jiǎn)化起見，圖4給出了只帶有外部電容器的放大后的布局圖。其中引腳3、5、24及26通過(guò)內(nèi)部電路直接與輸入端相連，且應(yīng)盡可能的短，以減少信號(hào)拾取和泄漏。考慮采用頂層金屬作為接地層，同時(shí)確保接地層圍住電容器，布線具有屏蔽功能。如果不同層充當(dāng)接地層，則將外部電容器附近的未用金屬扎在一起，然后接地，就形成一種屏蔽防護(hù)。切記，如果未啟用外部電容器，應(yīng)將引腳3-6和引腳23-26懸空。