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所產(chǎn)生的問題，并對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，同時還提供性能數(shù)據(jù)并探討電路的布局問題。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，其起點是50 pC，每多一級增加50 pC。這些范圍通過內(nèi)部電容器輸入到DDC112。對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DDC112的引腳3-6和引腳23-26連接至運算放大器。需要注意的是：DDC112的引腳3、5、24及26是通過內(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，需斷開DDC112的引腳3-6和引腳23-26。DDC112通過內(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，輸入信號將釋放電容器的電荷，從而使運算放大器輸出端的電壓降低。當(dāng)積分結(jié)束時，輸入信號將切換至另一側(cè)，此時，電壓輸入型ADC測量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。

　　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，滿量程范圍的計算公式如下：

　　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，對范圍小于350 pC的應(yīng)用而言，最好選用內(nèi)部電容器。因為這類電容器的線性特點往往更顯著，而且采用內(nèi)部量程范圍時，積分器電路的噪聲性能也會有所提高。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。這是因為超過積分器電路滿量程范圍的輸入信號會使運算放大器的輸出信號接地。運算放大器在輸入端不再提供一個虛擬接地，同時額外輸入電流使輸入節(jié)點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，電荷也隨之轉(zhuǎn)移到該側(cè)的積分電容器，導(dǎo)致錯誤產(chǎn)生。通常這種錯誤現(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且積分時輸入信號施加的總電荷為500 pC。該信號高于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，該側(cè)運算放大器電壓升高，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，電荷也隨之轉(zhuǎn)移至B側(cè)。即使輸入信號低于B側(cè)的滿量程范圍，這種電荷也會產(chǎn)生一種誤差，而這種誤差將導(dǎo)致B側(cè)的讀數(shù)錯誤。為了確保B側(cè)數(shù)據(jù)有效，輸入信號必須維持在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，該值約為1 000 pC的滿量程值——這是一個保守的數(shù)值。對于很多應(yīng)用而言，可采用容量更大的電容器。實驗已經(jīng)證明，即使電容器容量超過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間對VREF預(yù)充電時，通過降低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，不應(yīng)高于該極限值。另外，當(dāng)輸入電流非常大時，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的性能，而且還會影響線性。

　　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，而且各種容量等級應(yīng)有盡有。最后，請務(wù)必注意：不要選用X7R和Z5U型陶瓷電容器，因為這些電容器的線性非常差。

　　5 性能

　　5.1 噪聲

　　在DDC112中，噪聲主要來源是前端積分器和電壓輸入型ADC。對內(nèi)部電容器范圍，尤其是對范圍較小應(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，積分器電路所產(chǎn)生的噪聲通常較低。這樣反過來則降低了噪聲對CSENSOR的敏感性。圖2為不同容量外部電容器(CEXT)典型噪聲(當(dāng)輸入信號電平較低時)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)輸入信號增大時，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)反過來也改變了積分電容器的容量，同時導(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。采用終點適配(endpoint fit)計算INL。外部電容器的容量約為270 pF，積分時間為500μs。為了便于比較，同時圖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上無需過孔，就可實現(xiàn)緊密的布局。為了簡化起見，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，以減少信號拾取和泄漏。考慮采用頂層金屬作為接地層，同時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。