今日的電子產品，往往被要求“越小越好”，從佔據整個機房的伺服器系統到能裝進衣服口袋的消費電子產品，設計者不斷實現最小的外形尺寸，以便於更小的空間中包含更多功能。在類似可攜式及空間受限的產品設計中，包含了電源、微控制器、MOSFET、放大器、資料轉換器等電路，專用積體電路(ASIC)已納入許多許多功能，也取得了不同程度的成果，但當設計者在空間、效能和成本之間進行取捨時，對於測量效果最直接的影響發生在類比/數位轉換，使其常須使用微控制器和整合式ADC、或較低解析度的ADC和前置放大器電路。
測量可攜式和空間受限設計的溫度、電壓、電流和其他訊號時，ADC提供了關鍵功能。嵌入微控制器中的ADC所具備的主要問題是DC規格(線性度)、偏移誤差、雜訊等常常無法提供保證、或未經過測試、甚至未詳列。儘管微控制器的方框圖顯示其內部提供了一個12位元連續漸進暫存器(SAR)ADC或16位元的delta sigma ADC選項，但設計者卻必須猜測其真正的效能有多高。
今日的微控制器核心整合了多項功能，包括數位時脈、計時器、記憶體和幾百個暫存器。就確實含有ADC的微控制器而言，流覽冗長的資料表以確定ADC的效能是一個艱鉅的任務。而進入實驗室後，獲得好的ADC效能可能同樣艱鉅。一個"16位ADC"運用起來也許更像一個10位元或12位元ADC。ADC的接地和負極參考電源一般來自與微控制器其餘部分共用和雜訊較大的基座。由於這些微控制器以數位最佳化製程製造，並無針對類比測量而最佳化，因此ADC的效能常常是事後才考慮到的。在微控制器內，並未針對良好ADC效能而進行最佳佈線，不幸的是，ADC和其餘電路需共用一個公用的矽基座。
採用超精小封裝的16位元ADC
凌力爾特提供的新ADC系列產品，使設計者可以不必在空間、效能和成本之間進行取捨。16位元的LTC2450採用2mm x 2mm DFN封裝，設計可實現卓越的直流類比訊號測量效能。LTC2450的線性度、偏移誤差和增益誤差都經過測試，並保證操作於整個工業溫度範圍。這個ADC使得取代微控制器的嵌入式 ADC變得容易，而且幾乎不佔用其他多餘的電路板空間。
圖1所示為一典型印刷電路板，其上裝載FPGA、電源、微控制器和離散元件。利用這些元件的典型應用包括光電網路卡、資料擷取單元、伺服器及其他許多設計。LTC2450的4mm2尺寸使其無需移動周圍電路便能進行準確的ADC測量(如測量溫度、電流、電壓或氣流等)。
雖然尺寸極小，但LTC2450的delta sigma ADC核心提供了16位元無缺碼效能。積分非線性誤差(INL)的典型值為2 LSB(最大值為10 LSB)，增益誤差最大值為0.02%，此兩個值均於整個工業溫度範圍內(-40oC至+85oC)提供保證。
LTC2450的DFN封裝上具有6個接腳，包括：
1. 電源(VCC)── 偏置該ADC的內部構件，用作該ADC的正參考電壓
2. 輸入電壓連接(VIN)
3. 接地端電源(GND)── 用作類比和數位接地，以及該ADC的負參考電壓
4. 3個數位I/O接腳 ── 一個串列時脈輸入接腳(SCK)，一個串列資料輸出接腳(DO)一個晶片選擇/資料框架接腳(CS)# = 在CS上部加橫線）
該ADC以16位解析度測量0V至VCC的單端輸入電壓。這種單端輸入架構可以輕鬆測量多種感測器訊號，如壓力感測器、熱敏電阻和熱電耦訊號，而這只是其中一些例子。LTC2450的精小尺寸使其能非常輕易地取代微控制器中所嵌入的ADC，所佔用的總體電路板空間和成本預算去只有少量增加。
圖2a中的圖釘指向LTC2450的模擬側(CC、VIN、GND)與封裝模擬側相對的是LTC2450的簡單串列介面，由典型的3線串列介面組成。晶片選擇、串列時脈和資料輸出線控制單個輸出暫存器，以從ADC讀取資料。無需寫入任何暫存器，也無需處理任何複雜的資料I/O。透過將晶片選擇線連接至地，此ADC還提供兩線式通訊模式，以進一步節省電路板空間或實現簡單的隔離。
圖2b所示是LTC2450的原理圖和周圍元件。LT6660-5（U1串列參考使用電路板的主電壓作為參考輸入電源，在參考輸出端提供LTC2450良好穩定的低雜訊5V電源。與LTC2450一樣，LT6660也採用2mm x 2mm DFN封裝，儘管只有3個引腳(N、OUT、GND)封裝的一側伸出來。這個串列參考的準確度為0.2%(大值)溫度係數為10ppm/oC，提供高達20mA的電流，這麼大的電流足夠為該ADC供電。
取代較低解析度的ADC和增益放大器
除了使用微控制器中嵌入的ADC，空間受限應用的設計師嘗試節省成本以及把感測器與ADC隔離的另一種方法則是運用低價、小型和低解析度的ADC。通過放大來自感測器的輸入，設計師繞過了ADC的限制，這會降低從ADC所需的解析度，並提高了感測器的負載阻抗。
許多感測器只輸出低激發電壓，其通常介於10mV至100mV範圍內。這些應用需要能在100mV的範圍內分辨幾微伏或幾百微伏的差別。低激發電壓可能非常趨近接地電位或在接地電位與正電源電壓之間的某個共模電壓。從這麼小的感測器輸出電壓範圍要達到最高解析度是一項挑戰。增益係數每增加2，放大器輸出便提高2倍，這允許該ADC的解析度成為直接連接到感測器上時所需解析度的一半(意味著你需要低一位的ADC解析度)
圖3a說明一項測量低壓感測器的方法。放大器A1在訊號進入12位元ADC之前將訊號放大16倍。這個放大器將ADC所需的靈敏度降低了16x，或4比特(4)因此圖3a 中系統的解析度與16位元ADC直接連接到感測器上的系統的解析度是一樣的。假定感測器輸出電壓的最大值為0.25V，那麼放大器A1的輸出將高達 4V。基於5V電源和單極性0V至5V輸入範圍，這個12位元ADC現在可以利用 80%的輸入範圍，而不是5%。
不過，使用放大器和較低解析度的ADC也具有缺點。首先，放大器的偏移電壓(OS)增加誤差。其次，增益設置電阻的誤差是電路的另一個誤差源。這些誤差源可能迅速累積。
第三，放大器和增益電阻增大了總體方案尺寸。第四，設計者們必須意識到放大器輸入共模範圍和輸出擺幅的限制。換句話說，儘管放大器可能被標成"軌對軌輸出"，但其須視負載情況而定，輸出電壓永遠不能在接地電位或正電源電壓的1mV至100mV範圍。
凌力爾特的LTC2450可讓設計者將高解析度ADC直接連接到感測器上(3b)而不增加成本或犧牲隔離度。該ADC具有16位元無缺碼效能，能測量感測器的 0.25V範圍，這與在圖3a中12位元ADC加上放大器A1具有相同有效的解析度。
除了能測量0.25V的低電壓感測器訊號，LTC2450的0V至VCC輸入範圍還允許測量高達5V的單端訊號。這允許該資料轉換器在寬廣輸入訊號動態範圍內輸出一個準確的數位訊號。由於去除放大器及其增益級，因此無需擔心VOS、電阻雜訊或誤差問題。用於放大器和電阻的電路板空間將不再需要，匹配電阻與漂移元件的需求也可排除。
感測器阻抗
測量感測器訊號之設計者所面臨的另一項問題可能是感測器阻抗，感測器阻抗可以是幾Ω至幾kΩ或幾MΩ。大多數ADC的輸入架構不是為準確測量高阻抗感測器的輸出而設計的，這迫使設計者在感測器和ADC之間插入緩衝器，使其不得不再次擔心偏移誤差、電路板空間和緩衝器成本等問題。
LTC2450的輸入架構允許該ADC直接連接到阻抗高達幾kΩ的感測器上，而不影響效能。假定ADC運用5V電源，該16位ADC的每個最低有效位元(SB)為5V/65,536(uV)LTC2450的輸入採樣電流極低，典型值僅為50nA。因此，準確度降低未超過1LSB時，電源阻抗可高達1.5kΩ(6uV/50nA＝1.5kΩ)
就阻抗高於1.5kΩ的感測器而言，通過增加一個具有低偏置電流的放大器(如LTC6078)，圖3b 所示電路能夠非常容易地進行修改，該元件在室溫時最大輸入偏置電流為1pA。其中一個例子是pH值感測器，其阻抗高於幾MΩ。假定感測器的阻抗為5MΩ，放大器的輸入偏置電流為1pA，那麼所產生的誤差為5uV(MΩ x 1pA)這個誤差項在16位解析度(6uV)仍遠低於1LSB，這可以確保設計者從pH值感測器獲得準確、穩定的測量值。
增加緩衝放大器以後，由於LTC2450的50nA低取樣電流，設計者現在還可以在ADC之前使用低通濾波器。放置在ADC之前的RC網路大幅改善了系統的效能和易用性，同時提供低通和抗雜訊濾波。電容器提供一個電荷庫，提供ADC 的瞬時取樣電流，同時電阻也可從放大器隔離電容性負載。
今天的大多數ADC都具有相當高的採樣電流，這意味著與ADC輸入串列的1kΩ電阻會引起直流誤差。
結論
隨著設計者不斷嘗試在更小的空間中實現更多的功能並降低預算，其所面臨的難題也越趨增加。嵌入ADC的微控制器和其他低價、低解析度ADC也許很容易用來監視電壓、電流或溫度等類比訊號，但進一步探究時將發現，誤差源和解決方案尺寸問題也會浮現，使獲得準確讀數變得困難。儘管縮小的設計可能具有相當多優點，但是更小的積體電路封裝不一定永遠等於更高效能。微控制器所面臨的問題是，隨著這類元件因應更精細的製程技術而採用更小的電晶體，製造商欲保持嵌入式ADC的效能，也將會越來越困難。
LTC2450採用精細的設計以最佳化16位元效能，並保證操作在整個溫度範圍，且僅佔用4mm2的板面空間，該元件為取代嵌入式ADC或低解析度ADC提供了一個簡單的解決方案。元件價格為1.15美元，這就像以12位元元件的價格獲得16位元解析度一樣。
測量可攜式和空間受限設計的溫度、電壓、電流和其他訊號時，ADC提供了關鍵功能。嵌入微控制器中的ADC所具備的主要問題是DC規格(線性度)、偏移誤差、雜訊等常常無法提供保證、或未經過測試、甚至未詳列。儘管微控制器的方框圖顯示其內部提供了一個12位元連續漸進暫存器(SAR)ADC或16位元的delta sigma ADC選項，但設計者卻必須猜測其真正的效能有多高。
今日的微控制器核心整合了多項功能，包括數位時脈、計時器、記憶體和幾百個暫存器。就確實含有ADC的微控制器而言，流覽冗長的資料表以確定ADC的效能是一個艱鉅的任務。而進入實驗室後，獲得好的ADC效能可能同樣艱鉅。一個"16位ADC"運用起來也許更像一個10位元或12位元ADC。ADC的接地和負極參考電源一般來自與微控制器其餘部分共用和雜訊較大的基座。由於這些微控制器以數位最佳化製程製造，並無針對類比測量而最佳化，因此ADC的效能常常是事後才考慮到的。在微控制器內，並未針對良好ADC效能而進行最佳佈線，不幸的是，ADC和其餘電路需共用一個公用的矽基座。
採用超精小封裝的16位元ADC
凌力爾特提供的新ADC系列產品，使設計者可以不必在空間、效能和成本之間進行取捨。16位元的LTC2450採用2mm x 2mm DFN封裝，設計可實現卓越的直流類比訊號測量效能。LTC2450的線性度、偏移誤差和增益誤差都經過測試，並保證操作於整個工業溫度範圍。這個ADC使得取代微控制器的嵌入式 ADC變得容易，而且幾乎不佔用其他多餘的電路板空間。
圖1所示為一典型印刷電路板，其上裝載FPGA、電源、微控制器和離散元件。利用這些元件的典型應用包括光電網路卡、資料擷取單元、伺服器及其他許多設計。LTC2450的4mm2尺寸使其無需移動周圍電路便能進行準確的ADC測量(如測量溫度、電流、電壓或氣流等)。
雖然尺寸極小，但LTC2450的delta sigma ADC核心提供了16位元無缺碼效能。積分非線性誤差(INL)的典型值為2 LSB(最大值為10 LSB)，增益誤差最大值為0.02%，此兩個值均於整個工業溫度範圍內(-40oC至+85oC)提供保證。
LTC2450的DFN封裝上具有6個接腳，包括：
1. 電源(VCC)── 偏置該ADC的內部構件，用作該ADC的正參考電壓
2. 輸入電壓連接(VIN)
3. 接地端電源(GND)── 用作類比和數位接地，以及該ADC的負參考電壓
4. 3個數位I/O接腳 ── 一個串列時脈輸入接腳(SCK)，一個串列資料輸出接腳(DO)一個晶片選擇/資料框架接腳(CS)# = 在CS上部加橫線）
該ADC以16位解析度測量0V至VCC的單端輸入電壓。這種單端輸入架構可以輕鬆測量多種感測器訊號，如壓力感測器、熱敏電阻和熱電耦訊號，而這只是其中一些例子。LTC2450的精小尺寸使其能非常輕易地取代微控制器中所嵌入的ADC，所佔用的總體電路板空間和成本預算去只有少量增加。
圖2a中的圖釘指向LTC2450的模擬側(CC、VIN、GND)與封裝模擬側相對的是LTC2450的簡單串列介面，由典型的3線串列介面組成。晶片選擇、串列時脈和資料輸出線控制單個輸出暫存器，以從ADC讀取資料。無需寫入任何暫存器，也無需處理任何複雜的資料I/O。透過將晶片選擇線連接至地，此ADC還提供兩線式通訊模式，以進一步節省電路板空間或實現簡單的隔離。
圖2b所示是LTC2450的原理圖和周圍元件。LT6660-5（U1串列參考使用電路板的主電壓作為參考輸入電源，在參考輸出端提供LTC2450良好穩定的低雜訊5V電源。與LTC2450一樣，LT6660也採用2mm x 2mm DFN封裝，儘管只有3個引腳(N、OUT、GND)封裝的一側伸出來。這個串列參考的準確度為0.2%(大值)溫度係數為10ppm/oC，提供高達20mA的電流，這麼大的電流足夠為該ADC供電。
取代較低解析度的ADC和增益放大器
除了使用微控制器中嵌入的ADC，空間受限應用的設計師嘗試節省成本以及把感測器與ADC隔離的另一種方法則是運用低價、小型和低解析度的ADC。通過放大來自感測器的輸入，設計師繞過了ADC的限制，這會降低從ADC所需的解析度，並提高了感測器的負載阻抗。
許多感測器只輸出低激發電壓，其通常介於10mV至100mV範圍內。這些應用需要能在100mV的範圍內分辨幾微伏或幾百微伏的差別。低激發電壓可能非常趨近接地電位或在接地電位與正電源電壓之間的某個共模電壓。從這麼小的感測器輸出電壓範圍要達到最高解析度是一項挑戰。增益係數每增加2，放大器輸出便提高2倍，這允許該ADC的解析度成為直接連接到感測器上時所需解析度的一半(意味著你需要低一位的ADC解析度)
圖3a說明一項測量低壓感測器的方法。放大器A1在訊號進入12位元ADC之前將訊號放大16倍。這個放大器將ADC所需的靈敏度降低了16x，或4比特(4)因此圖3a 中系統的解析度與16位元ADC直接連接到感測器上的系統的解析度是一樣的。假定感測器輸出電壓的最大值為0.25V，那麼放大器A1的輸出將高達 4V。基於5V電源和單極性0V至5V輸入範圍，這個12位元ADC現在可以利用 80%的輸入範圍，而不是5%。
不過，使用放大器和較低解析度的ADC也具有缺點。首先，放大器的偏移電壓(OS)增加誤差。其次，增益設置電阻的誤差是電路的另一個誤差源。這些誤差源可能迅速累積。
第三，放大器和增益電阻增大了總體方案尺寸。第四，設計者們必須意識到放大器輸入共模範圍和輸出擺幅的限制。換句話說，儘管放大器可能被標成"軌對軌輸出"，但其須視負載情況而定，輸出電壓永遠不能在接地電位或正電源電壓的1mV至100mV範圍。
凌力爾特的LTC2450可讓設計者將高解析度ADC直接連接到感測器上(3b)而不增加成本或犧牲隔離度。該ADC具有16位元無缺碼效能，能測量感測器的 0.25V範圍，這與在圖3a中12位元ADC加上放大器A1具有相同有效的解析度。
除了能測量0.25V的低電壓感測器訊號，LTC2450的0V至VCC輸入範圍還允許測量高達5V的單端訊號。這允許該資料轉換器在寬廣輸入訊號動態範圍內輸出一個準確的數位訊號。由於去除放大器及其增益級，因此無需擔心VOS、電阻雜訊或誤差問題。用於放大器和電阻的電路板空間將不再需要，匹配電阻與漂移元件的需求也可排除。
感測器阻抗
測量感測器訊號之設計者所面臨的另一項問題可能是感測器阻抗，感測器阻抗可以是幾Ω至幾kΩ或幾MΩ。大多數ADC的輸入架構不是為準確測量高阻抗感測器的輸出而設計的，這迫使設計者在感測器和ADC之間插入緩衝器，使其不得不再次擔心偏移誤差、電路板空間和緩衝器成本等問題。
LTC2450的輸入架構允許該ADC直接連接到阻抗高達幾kΩ的感測器上，而不影響效能。假定ADC運用5V電源，該16位ADC的每個最低有效位元(SB)為5V/65,536(uV)LTC2450的輸入採樣電流極低，典型值僅為50nA。因此，準確度降低未超過1LSB時，電源阻抗可高達1.5kΩ(6uV/50nA＝1.5kΩ)
就阻抗高於1.5kΩ的感測器而言，通過增加一個具有低偏置電流的放大器(如LTC6078)，圖3b 所示電路能夠非常容易地進行修改，該元件在室溫時最大輸入偏置電流為1pA。其中一個例子是pH值感測器，其阻抗高於幾MΩ。假定感測器的阻抗為5MΩ，放大器的輸入偏置電流為1pA，那麼所產生的誤差為5uV(MΩ x 1pA)這個誤差項在16位解析度(6uV)仍遠低於1LSB，這可以確保設計者從pH值感測器獲得準確、穩定的測量值。
增加緩衝放大器以後，由於LTC2450的50nA低取樣電流，設計者現在還可以在ADC之前使用低通濾波器。放置在ADC之前的RC網路大幅改善了系統的效能和易用性，同時提供低通和抗雜訊濾波。電容器提供一個電荷庫，提供ADC 的瞬時取樣電流，同時電阻也可從放大器隔離電容性負載。
今天的大多數ADC都具有相當高的採樣電流，這意味著與ADC輸入串列的1kΩ電阻會引起直流誤差。
結論
隨著設計者不斷嘗試在更小的空間中實現更多的功能並降低預算，其所面臨的難題也越趨增加。嵌入ADC的微控制器和其他低價、低解析度ADC也許很容易用來監視電壓、電流或溫度等類比訊號，但進一步探究時將發現，誤差源和解決方案尺寸問題也會浮現，使獲得準確讀數變得困難。儘管縮小的設計可能具有相當多優點，但是更小的積體電路封裝不一定永遠等於更高效能。微控制器所面臨的問題是，隨著這類元件因應更精細的製程技術而採用更小的電晶體，製造商欲保持嵌入式ADC的效能，也將會越來越困難。
LTC2450採用精細的設計以最佳化16位元效能，並保證操作在整個溫度範圍，且僅佔用4mm2的板面空間，該元件為取代嵌入式ADC或低解析度ADC提供了一個簡單的解決方案。元件價格為1.15美元，這就像以12位元元件的價格獲得16位元解析度一樣。
