深入解析 LTC2353 - 18：高性能 18 位 ADC 的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，ADC（模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器）是連接現(xiàn)實(shí)世界模擬信號(hào)與數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵橋梁。今天，我們就來詳細(xì)探討一款性能卓越的 18 位 ADC——LTC2353 - 18。

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一、LTC2353 - 18 概述

LTC2353 - 18 是一款 18 位、低噪聲的 2 通道同時(shí)采樣逐次逼近寄存器（SAR）ADC，具備緩沖差分、寬共模范圍皮安輸入的特點(diǎn)。它采用 5V 低壓電源和靈活的高壓電源供電，集成了低漂移參考和緩沖器（VREFBUF 標(biāo)稱值為 4.096V），兩個(gè)通道可以在每次轉(zhuǎn)換時(shí)獨(dú)立配置，以接受 ±10.24V、0V 至 10.24V、±5.12V 或 0V 至 5.12V 的信號(hào)。若將外部 5V 參考源接入，輸入信號(hào)范圍可擴(kuò)展至 ±12.5V。此外，還可以禁用一個(gè)通道來提高另一個(gè)通道的吞吐量。

二、關(guān)鍵特性剖析

2.1 采樣與吞吐量

LTC2353 - 18 能夠同時(shí)對(duì) 2 個(gè)通道進(jìn)行采樣，每個(gè)通道的吞吐量可達(dá) 550ksps。在 85°C 時(shí)，最大輸入泄漏電流為 500pA；在 125°C 時(shí)，最大輸入泄漏電流為 12nA。這一特性使得它在不同溫度環(huán)境下都能保持穩(wěn)定的性能。

2.2 精度表現(xiàn)

它的積分非線性（INL）最大為 ±3.5LSB（在 ±10.24V 范圍內(nèi)），并且保證 18 位無漏碼。在 (f{IN}=2kHz) 時(shí)，單轉(zhuǎn)換信噪比（SNR）典型值為 96.4dB，總諧波失真（THD）典型值為 - 110dB；在 (f{IN}=200Hz) 時(shí)，共模抑制比（CMRR）典型值為 124dB。這些高精度指標(biāo)使得它在對(duì)精度要求較高的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

2.3 輸入范圍靈活性

該 ADC 具有每個(gè)通道的軟量程（SoftSpan）輸入范圍，包括 ±10.24V、0V 至 10.24V、±5.12V、0V 至 5.12V、±12.5V、0V 至 12.5V、±6.25V、0V 至 6.25V 等多種選擇，能夠適應(yīng)不同的信號(hào)輸入需求。

2.4 接口與功耗

支持引腳可選的 SPI CMOS（1.8V 至 5V）和 LVDS 串行接口，方便與不同的設(shè)備進(jìn)行通信。內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘無周期延遲，典型功耗為 162mW，采用 48 引腳（7mm x 7mm）LQFP 封裝，節(jié)省電路板空間。

三、工作原理與應(yīng)用

3.1 轉(zhuǎn)換操作

LTC2353 - 18 的工作分為采集和轉(zhuǎn)換兩個(gè)階段。在采集階段，兩個(gè)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 -）。當(dāng) CNV 引腳出現(xiàn)上升沿時(shí)，兩個(gè)通道的 S/H 電路從跟蹤模式轉(zhuǎn)換到保持模式，同時(shí)對(duì)兩個(gè)通道的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換階段，兩個(gè)通道的采樣電容依次連接到一個(gè) 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軟量程滿量程范圍的二進(jìn)制加權(quán)分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較。最后，ADC 控制邏輯準(zhǔn)備好每個(gè)通道的 18 位數(shù)字輸出代碼進(jìn)行串行傳輸。

3.2 傳輸函數(shù)

LTC2353 - 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(jí)別。通道的軟量程配置決定了其輸入電壓范圍、滿量程范圍、LSB 大小以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的二進(jìn)制格式。對(duì)于雙極性軟量程范圍，轉(zhuǎn)換結(jié)果以補(bǔ)碼二進(jìn)制格式輸出；對(duì)于單極性軟量程范圍，轉(zhuǎn)換結(jié)果以直二進(jìn)制格式輸出。

3.3 緩沖模擬輸入

每個(gè)通道能夠在寬共模輸入范圍內(nèi)同時(shí)采樣其模擬輸入引腳之間的電壓差（VIN+ - VIN -），并通過 ADC 的共模抑制比（CMRR）衰減兩個(gè)輸入引腳上的共模信號(hào)。寬共模輸入范圍和高 CMRR 使得 IN +/IN - 模擬輸入能夠以任意關(guān)系擺動(dòng)，只要兩個(gè)引腳的電壓保持在（VEE + 4V）和（VCC - 4V）之間。這一特性使得它能夠接受各種類型的信號(hào)，簡化了信號(hào)鏈設(shè)計(jì)。

3.4 輸入驅(qū)動(dòng)電路

CMOS 緩沖輸入級(jí)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(hào)調(diào)理放大器和濾波網(wǎng)絡(luò)可以直接驅(qū)動(dòng) 3pF 的模擬輸入電容。對(duì)于高阻抗和慢穩(wěn)定電路，可以在引腳處添加 680pF 電容以保持 LTC2353 - 18 的全直流精度。此外，它的高輸入阻抗使得可以添加具有 kΩ 阻抗和任意慢時(shí)間常數(shù)的 RC 濾波器用于抗混疊或其他目的。

3.5 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(huì)影響其他通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。但將模擬輸入驅(qū)動(dòng)到 VEE 以下可能會(huì)破壞其他通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。該產(chǎn)品能夠處理高達(dá) 100mA 的輸入電流而不會(huì)發(fā)生閂鎖。

3.6 參考配置

LTC2353 - 18 支持三種參考配置：

• 內(nèi)部參考與內(nèi)部緩沖器：片上低噪聲、低漂移（最大 20ppm/°C）、溫度補(bǔ)償?shù)膸秴⒖驾敵?2.048V，通過 20kΩ 電阻連接到 REFIN 引腳，參考緩沖器將 VREFIN 放大為 VREFBUF = 2 ? VREFIN，標(biāo)稱值為 4.096V。
• 外部參考與內(nèi)部緩沖器：如果需要更高的精度和更低的漂移，可以用外部參考源驅(qū)動(dòng) REFIN 引腳，有效范圍為 1.25V 至 2.2V，從而使 VREFBUF 在 2.5V 至 4.4V 之間。
• 外部參考與禁用內(nèi)部緩沖器：通過將 REFIN 引腳接地，可以禁用內(nèi)部緩沖器，用 2.5V 至 5V 的外部參考電壓驅(qū)動(dòng) REFBUF 引腳。

3.7 動(dòng)態(tài)性能

采用快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)測(cè)試 ADC 的頻率響應(yīng)、失真和噪聲。在 550ksps 采樣率下，對(duì)于 ±10.24V 范圍的 2kHz 真雙極性輸入信號(hào)，典型的信號(hào) - 噪聲和失真比（SINAD）為 96.2dB，信號(hào) - 噪聲比（SNR）為 96.3dB，總諧波失真（THD）為 - 111dB。

3.8 功耗考慮

LTC2353 - 18 需要四個(gè)電源：正高壓電源（VCC）、負(fù)高壓電源（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 可以在各自允許的工作范圍內(nèi)獨(dú)立偏置，包括 VEE 可以直接接地。靈活的 OVDD 電源允許它與 1.8V 至 5V 的 CMOS 邏輯進(jìn)行通信。

3.9 時(shí)序與控制

• CNV 時(shí)序：CNV 引腳的上升沿控制采樣和轉(zhuǎn)換，將兩個(gè)通道的 S/H 電路從跟蹤模式轉(zhuǎn)換到保持模式并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。BUSY 輸出指示轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換開始時(shí) BUSY 從低電平變?yōu)楦唠娖?，轉(zhuǎn)換完成后變?yōu)榈碗娖健?/li>
• 內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘：內(nèi)部時(shí)鐘經(jīng)過調(diào)整，在啟用 N 個(gè)通道時(shí)，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 550 ? N ns。當(dāng)同時(shí)轉(zhuǎn)換兩個(gè)通道時(shí)，最小采集時(shí)間為 685ns，保證了 550ksps 的吞吐量。
• 休眠模式：轉(zhuǎn)換完成后，可以將 LTC2353 - 18 置于休眠模式以降低功耗。通過在轉(zhuǎn)換之間保持 CNV 為高電平來啟用休眠模式，進(jìn)入休眠模式后，要啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換，需將 CNV 置低并保持至少 750ns 后再置高。
• 掉電模式：當(dāng) PD 引腳置高時(shí)，LTC2353 - 18 進(jìn)入掉電模式，后續(xù)的轉(zhuǎn)換請(qǐng)求將被忽略。掉電模式下，設(shè)備僅消耗少量的調(diào)節(jié)器待機(jī)電流，典型功耗為 0.60mW。
• 復(fù)位時(shí)序：通過兩次將 PD 引腳置高而中間不進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以執(zhí)行全局復(fù)位，相當(dāng)于上電復(fù)位事件。

3.10 數(shù)字接口

LTC2353 - 18 具有 CMOS 和 LVDS 串行接口，可通過 LVDS/CMOS 引腳選擇。在 CMOS 模式下，應(yīng)用程序可以使用一或兩個(gè)串行數(shù)據(jù)輸出通道，優(yōu)化總線寬度和數(shù)據(jù)吞吐量。在 LVDS 模式下，信息通過正負(fù)信號(hào)對(duì)（LVDS +/LVDS -）傳輸，采用差分編碼。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 可編程邏輯控制器（PLC）

在 PLC 中，LTC2353 - 18 可以用于精確采集各種模擬信號(hào)，如溫度、壓力、電流等，為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4.2 工業(yè)過程控制

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對(duì)各種參數(shù)的精確測(cè)量和控制至關(guān)重要。LTC2353 - 18 的高精度和寬輸入范圍使其能夠滿足工業(yè)過程控制中的各種信號(hào)采集需求。

4.3 電力線監(jiān)測(cè)

電力線監(jiān)測(cè)需要對(duì)電壓、電流等信號(hào)進(jìn)行高精度測(cè)量，LTC2353 - 18 的高性能可以確保準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電力線的運(yùn)行狀態(tài)。

4.4 測(cè)試與測(cè)量

在測(cè)試與測(cè)量設(shè)備中，LTC2353 - 18 可以用于對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量和分析，為測(cè)試結(jié)果提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

五、總結(jié)

LTC2353 - 18 以其卓越的性能、靈活的配置和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為電子工程師在設(shè)計(jì)高性能 ADC 系統(tǒng)時(shí)的理想選擇。無論是在精度要求較高的工業(yè)應(yīng)用中，還是在對(duì)信號(hào)處理要求嚴(yán)格的測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，它都能發(fā)揮出出色的作用。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇參考配置、輸入驅(qū)動(dòng)電路和時(shí)序控制，以充分發(fā)揮 LTC2353 - 18 的優(yōu)勢(shì)。大家在使用 LTC2353 - 18 過程中遇到過哪些問題呢？或者對(duì)它的應(yīng)用還有哪些疑問？歡迎在評(píng)論區(qū)交流討論。