LTC2357-18：高性能18位ADC的全面解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。LTC2357-18作為一款18位、低噪聲的4通道同時(shí)采樣逐次逼近寄存器（SAR）ADC，憑借其出色的特性和廣泛的應(yīng)用場景，成為眾多工程師的首選。

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一、產(chǎn)品概述

LTC2357-18采用5V低電壓供電和靈活的高壓電源，通常為±15V。借助集成的低漂移參考和緩沖器（VREFBUF標(biāo)稱值為4.096V），每個(gè)通道可獨(dú)立配置輸入信號范圍，支持±10.24V、0V至10.24V、±5.12V或0V至5.12V的信號輸入，使用外部5V參考時(shí)輸入信號范圍可擴(kuò)展至±12.5V。此外，還可禁用個(gè)別通道以提高其余通道的吞吐量。

二、關(guān)鍵特性剖析

2.1 高精度與低噪聲

• 積分非線性（INL）：最大為±3.5LSB，確保了轉(zhuǎn)換結(jié)果的高精度。
• 無失碼：在18位分辨率下保證無失碼，提供了可靠的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。
• 信噪比（SNR）：典型值為96.4dB，有效降低了噪聲干擾，提高了信號質(zhì)量。

2.2 寬輸入共模范圍與高共模抑制比

• 輸入共模范圍：VEE + 4V至VCC - 4V，能夠適應(yīng)各種不同的輸入信號。
• 共模抑制比（CMRR）：典型值為128dB（fIN = 200Hz），有效抑制了共模信號的干擾。

2.3 靈活的接口選擇

支持引腳可選的SPI CMOS（1.8V至5V）和LVDS串行接口，可與傳統(tǒng)微控制器和現(xiàn)代FPGA進(jìn)行良好通信。在CMOS模式下，可使用1至4個(gè)串行輸出數(shù)據(jù)通道，優(yōu)化總線寬度和數(shù)據(jù)吞吐量。

2.4 低功耗設(shè)計(jì)

• 典型功耗為175mW（4通道同時(shí)以350ksps轉(zhuǎn)換時(shí)）。
• 提供可選的休眠和掉電模式，可在非活動(dòng)期間進(jìn)一步降低功耗。

三、工作原理與轉(zhuǎn)換過程

3.1 轉(zhuǎn)換階段

LTC2357-18的工作分為采集和轉(zhuǎn)換兩個(gè)階段。

• 采集階段：各通道的采樣保持（S/H）電路中的采樣電容連接到各自的模擬輸入緩沖器，跟蹤差分模擬輸入電壓（VIN+ - VIN-）。
• 轉(zhuǎn)換階段：CNV引腳的上升沿使所有通道的S/H電路從跟蹤模式轉(zhuǎn)換到保持模式，同時(shí)對所有通道的輸入信號進(jìn)行采樣并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。每個(gè)通道的采樣電容依次連接到18位電荷再分配電容D/A轉(zhuǎn)換器（CDAC），通過逐次逼近算法將采樣的輸入電壓與通道的SoftSpan滿量程范圍的二進(jìn)制加權(quán)分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，最終得到近似的模擬輸入值。

3.2 傳輸函數(shù)

LTC2357-18將每個(gè)通道的滿量程電壓范圍數(shù)字化為2^18個(gè)級別。通道的SoftSpan配置決定了其輸入電壓范圍、滿量程范圍、LSB大小和轉(zhuǎn)換結(jié)果的二進(jìn)制格式。對于雙極性SoftSpan范圍，轉(zhuǎn)換結(jié)果以補(bǔ)碼二進(jìn)制格式輸出；對于單極性SoftSpan范圍，則以直二進(jìn)制格式輸出。

四、輸入特性與應(yīng)用

4.1 緩沖模擬輸入

每個(gè)通道可同時(shí)采樣其模擬輸入引腳之間的電壓差（VIN+ - VIN-），并通過高共模抑制比（CMRR）衰減兩個(gè)輸入引腳上的共模信號。寬輸入共模范圍和高CMRR使IN+/IN-模擬輸入能夠以任意關(guān)系擺動(dòng)，只要每個(gè)引腳保持在（VEE + 4V）和（VCC - 4V）之間。這一特性使得LTC2357-18能夠接受各種類型的信號，簡化了信號鏈設(shè)計(jì)。

4.2 輸入驅(qū)動(dòng)電路

CMOS緩沖輸入級提供了高度的瞬態(tài)隔離。大多數(shù)阻抗小于10kΩ的傳感器、信號調(diào)理放大器和濾波網(wǎng)絡(luò)可直接驅(qū)動(dòng)3pF的模擬輸入電容。對于高阻抗和慢穩(wěn)定電路，可在引腳處添加680pF電容以保持LTC2357-18的直流精度。

4.3 輸入過驅(qū)動(dòng)容限

在任何通道上，將模擬輸入驅(qū)動(dòng)到VCC以上最多10mA不會影響其他通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果，但驅(qū)動(dòng)到VEE以下可能會損壞其他通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。該產(chǎn)品能夠承受高達(dá)100mA的輸入電流而不會發(fā)生閂鎖。

五、參考配置與動(dòng)態(tài)性能

5.1 參考配置

LTC2357-18支持三種參考配置：

• 內(nèi)部參考與內(nèi)部緩沖器：使用片上低噪聲、低漂移（最大20ppm/°C）、溫度補(bǔ)償?shù)膸秴⒖?，工廠校準(zhǔn)為2.048V。
• 外部參考與內(nèi)部緩沖器：通過外部參考對REFIN引腳進(jìn)行過驅(qū)動(dòng)，有效隔離外部參考與ADC轉(zhuǎn)換瞬態(tài)。
• 外部參考與禁用內(nèi)部緩沖器：通過接地REFIN禁用內(nèi)部緩沖器，使用外部參考對REFBUF引腳進(jìn)行過驅(qū)動(dòng)。

5.2 動(dòng)態(tài)性能

采用快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)測試ADC的頻率響應(yīng)、失真和噪聲。LTC2357-18在額定吞吐量下提供了保證的交流失真和噪聲測量限制。

• 信噪失真比（SINAD）：在±10.24V范圍內(nèi)，350ksps采樣率和2kHz真雙極性輸入信號下，典型值為96.2dB。
• 信噪比（SNR）：在相同條件下，典型值為96.4dB。
• 總諧波失真（THD）：在±10.24V范圍內(nèi)，350ksps采樣率和2kHz真雙極性輸入信號下，典型值為 - 110dB。

六、電源與時(shí)序控制

6.1 電源要求

LTC2357-18需要四個(gè)電源：正負(fù)高壓電源（VCC和VEE）、5V核心電源（VDD）和數(shù)字輸入/輸出（I/O）接口電源（OVDD）。只要滿足10V ≤ VCC - VEE ≤ 38V的電壓差限制，VCC和VEE可在各自允許的工作范圍內(nèi)獨(dú)立偏置，包括VEE可直接接地。

6.2 時(shí)序控制

• CNV時(shí)序：CNV引腳的上升沿控制采樣和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開始后除非重置ADC否則不能提前終止。
• 內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘：內(nèi)部時(shí)鐘經(jīng)過校準(zhǔn)，在N個(gè)通道啟用時(shí)最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為550?N ns，確保了穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換性能。
• 休眠模式：轉(zhuǎn)換完成后可進(jìn)入休眠模式以降低功耗，通過保持CNV高電平實(shí)現(xiàn)。
• 掉電模式：PD引腳置高時(shí)，LTC2357-18進(jìn)入掉電模式，后續(xù)轉(zhuǎn)換請求被忽略。
• 重置時(shí)序：兩次將PD引腳置高且中間無轉(zhuǎn)換可觸發(fā)全局重置。

七、數(shù)字接口與數(shù)據(jù)傳輸

7.1 接口選擇

支持CMOS和LVDS串行接口，可通過LVDS/CMOS引腳選擇。靈活的OVDD電源使LTC2357-18能夠與1.8V至5V的CMOS邏輯進(jìn)行通信。

7.2 數(shù)據(jù)傳輸

• CMOS I/O模式：串行數(shù)據(jù)總線包括SCKI、SDI、SCKO和SDO0至SDO3。在數(shù)據(jù)事務(wù)窗口內(nèi)，設(shè)備接受12位SoftSpan配置字并輸出24位數(shù)據(jù)包。
• LVDS I/O模式：使用差分信號對傳輸信息，同樣在數(shù)據(jù)事務(wù)窗口內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

八、PCB布局與參考設(shè)計(jì)

8.1 PCB布局

為獲得最佳性能，建議使用四層印刷電路板（PCB），確保數(shù)字和模擬信號線盡可能分離，避免數(shù)字時(shí)鐘或信號與模擬信號并行或在ADC下方布線。同時(shí)，應(yīng)盡量縮短REFBUF到GND的旁路電容返回回路長度，避免CNV引腳靠近可能干擾其上升沿的信號。

8.2 參考設(shè)計(jì)

可參考DC2365評估套件，獲取該轉(zhuǎn)換器的詳細(xì)參考設(shè)計(jì)，包括原理圖和PCB布局。

九、相關(guān)產(chǎn)品推薦

除了LTC2357-18，還有一系列相關(guān)產(chǎn)品可供選擇，如LTC2358-18/LTC2358-16、LTC2333-18/LTC2333-16等，這些產(chǎn)品在分辨率、采樣率、通道數(shù)等方面各有特點(diǎn)，可根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

LTC2357-18以其高精度、低噪聲、寬輸入范圍和靈活的接口等特性，為電子工程師在設(shè)計(jì)高性能系統(tǒng)時(shí)提供了可靠的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，合理配置和使用該ADC，結(jié)合良好的PCB布局和電源管理，能夠充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢，滿足各種復(fù)雜的應(yīng)用需求。你在使用LTC2357-18或類似ADC時(shí)遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。