解析LTC2341 - 18：一款高性能18位ADC的卓越特性與應(yīng)用

在電子設(shè)計領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接現(xiàn)實世界模擬信號與數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入探討凌力爾特（現(xiàn)屬亞德諾半導(dǎo)體）的LTC2341 - 18，一款具備諸多卓越特性的18位ADC，它在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的性能。

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一、產(chǎn)品概述

LTC2341 - 18是一款18位、低噪聲、2通道同時采樣的逐次逼近寄存器（SAR）ADC，具有差分、寬共模范圍輸入。它采用5V電源供電，集成了低漂移參考和緩沖器，每個通道可獨立配置不同的輸入范圍，如±4.096V、0V至4.096V、±2.048V或0V至2.048V等。此外，該ADC還支持SPI CMOS（1.8V至5V）和LVDS串行接口，能與多種設(shè)備進(jìn)行通信。

二、關(guān)鍵特性

2.1 高性能指標(biāo)

• 高采樣速率：每個通道的吞吐量高達(dá)666ksps，能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集的需求。
• 高精度轉(zhuǎn)換：保證18位無失碼，最大積分非線性（INL）為±4LSB，提供了出色的轉(zhuǎn)換精度。
• 低噪聲與低失真：典型的單轉(zhuǎn)換信噪比（SNR）為95dB，在(f_{IN}=2kHz)時總諧波失真（THD）為 - 114dB，確保了信號的高質(zhì)量轉(zhuǎn)換。
• 高共模抑制比：在(f_{IN}=200Hz)時，共模抑制比（CMRR）典型值為105dB，有效抑制了共模干擾。

2.2 靈活的輸入配置

• 寬共模范圍輸入：差分輸入具有寬共模范圍，能夠直接數(shù)字化各種信號，簡化了信號鏈設(shè)計。
• 軟量程（SoftSpan）功能：每個通道可獨立配置不同的輸入范圍，包括雙極性和單極性范圍，適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

2.3 其他特性

• 集成參考和緩沖器：內(nèi)部集成了4.096V的參考和緩沖器，減少了外部元件的使用。
• 低功耗設(shè)計：典型功耗為74mW，在節(jié)能應(yīng)用中表現(xiàn)出色。
• 寬溫度范圍工作：保證在高達(dá)125°C的溫度下正常工作，適用于惡劣環(huán)境。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 可編程邏輯控制器（PLC）

在PLC中，LTC2341 - 18的高精度和高采樣速率能夠準(zhǔn)確采集各種模擬信號，如溫度、壓力、流量等，為控制系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

3.2 工業(yè)過程控制

工業(yè)過程控制需要對各種模擬信號進(jìn)行精確測量和控制，LTC2341 - 18的寬共模范圍和高CMRR特性使其能夠適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，確保信號的準(zhǔn)確采集和處理。

3.3 醫(yī)學(xué)成像

醫(yī)學(xué)成像對信號的精度和質(zhì)量要求極高，LTC2341 - 18的低噪聲和高分辨率特性能夠滿足醫(yī)學(xué)成像設(shè)備對信號采集的嚴(yán)格要求，為醫(yī)學(xué)診斷提供清晰準(zhǔn)確的圖像。

3.4 高速數(shù)據(jù)采集

在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，LTC2341 - 18的高采樣速率和多通道同時采樣功能能夠快速準(zhǔn)確地采集大量數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析和處理提供基礎(chǔ)。

四、工作原理

4.1 轉(zhuǎn)換過程

LTC2341 - 18的工作分為采集和轉(zhuǎn)換兩個階段。在采集階段，采樣保持（S/H）電路的采樣電容連接到模擬輸入引腳，跟蹤輸入信號。當(dāng)CNV引腳出現(xiàn)上升沿時，S/H電路從跟蹤模式轉(zhuǎn)換到保持模式，同時對兩個通道的輸入信號進(jìn)行采樣并啟動轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換階段，每個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，最終得到數(shù)字輸出。

4.2 傳輸函數(shù)

LTC2341 - 18將每個通道的滿量程電壓范圍數(shù)字化為(2^{18})個級別。通道的軟量程配置決定了其輸入電壓范圍、滿量程范圍、LSB大小和轉(zhuǎn)換結(jié)果的二進(jìn)制格式。對于雙極性軟量程范圍，轉(zhuǎn)換結(jié)果以補碼二進(jìn)制格式輸出；對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。

五、應(yīng)用設(shè)計要點

5.1 模擬輸入

• 輸入信號特性：每個通道同時采樣模擬輸入引腳之間的電壓差，寬共模輸入范圍和高CMRR允許輸入信號在大地和(V_{DD})之間任意擺動，能夠接受多種類型的信號，如偽差分單極性、偽差分雙極性和全差分信號。
• 輸入驅(qū)動電路：為了確保采樣電容在采集間隔內(nèi)能夠穩(wěn)定到新的輸入引腳電壓，外部電路需要提供足夠的電流來滿足電荷流動的需求。對于低阻抗源，可以直接驅(qū)動ADC輸入；對于高阻抗源，建議使用緩沖放大器來確保采集期間的穩(wěn)定和優(yōu)化ADC的線性度和失真性能。
• 輸入濾波：為了減少輸入信號的噪聲和失真，建議在緩沖放大器之前使用低帶寬濾波器對輸入信號進(jìn)行濾波。在緩沖器輸出端，由采樣開關(guān)導(dǎo)通電阻和采樣電容形成的低通RC濾波器可以限制輸入帶寬，同時減少驅(qū)動寬帶噪聲。

5.2 ADC參考

LTC2341 - 18支持三種參考配置：

• 內(nèi)部參考與內(nèi)部緩沖器：使用內(nèi)部帶隙參考和參考緩沖器，REFIN引腳應(yīng)使用0.1μF陶瓷電容旁路到地，REFBUF引腳應(yīng)使用至少47μF陶瓷電容旁路到地。
• 外部參考與內(nèi)部緩沖器：當(dāng)需要更高的精度和更低的漂移時，可以使用外部參考源驅(qū)動REFIN引腳，有效范圍為1.25V至2.2V。
• 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，使用外部參考電壓驅(qū)動REFBUF引腳，范圍為2.5V至5V。

5.3 電源考慮

• 電源引腳：LTC2341 - 18提供5V核心電源（(V{DD})）和數(shù)字輸入/輸出（I/O）電源（(OV{DD})），(OV_{DD})的范圍允許ADC與1.8V至5V的CMOS邏輯進(jìn)行通信。
• 電源排序：該ADC沒有特定的電源排序要求，但需要注意遵守絕對最大額定值中的最大電壓關(guān)系。內(nèi)部的上電復(fù)位（POR）電路在電源上電或(V_{DD})低于2V時復(fù)位轉(zhuǎn)換器，在POR事件后至少等待10ms再啟動轉(zhuǎn)換，使用內(nèi)部參考緩沖器時需要等待200ms讓緩沖器上電和充電。

5.4 時序和控制

• CNV時序：CNV引腳的上升沿觸發(fā)采樣和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開始后不能提前終止，除非復(fù)位ADC。為了獲得最佳性能，應(yīng)使用干凈、低抖動的信號驅(qū)動CNV，并避免在CNV上升沿之前和之后的100ns內(nèi)模擬輸入出現(xiàn)高斜率變化。
• 內(nèi)部轉(zhuǎn)換時鐘：LTC2341 - 18具有內(nèi)部時鐘，在啟用N個通道時，最大轉(zhuǎn)換時間為550 ? N – 40ns，雙通道同時轉(zhuǎn)換時最小采集時間為410ns，保證了666ksps的吞吐量。
• 電源關(guān)斷模式：當(dāng)PD引腳置高時，ADC進(jìn)入電源關(guān)斷模式，后續(xù)的轉(zhuǎn)換請求將被忽略。退出電源關(guān)斷模式時，需要將PD引腳置低并等待至少10ms（使用內(nèi)部參考緩沖器時等待200ms）再啟動轉(zhuǎn)換。
• 復(fù)位時序：通過兩次將PD引腳置高且中間無轉(zhuǎn)換操作，可以執(zhí)行全局復(fù)位，相當(dāng)于上電復(fù)位事件。復(fù)位后需要等待至少10ms（使用內(nèi)部參考緩沖器時等待200ms）再啟動轉(zhuǎn)換。

5.5 數(shù)字接口

• CMOS I/O模式：在CMOS I/O模式下，串行數(shù)據(jù)總線包括SCKI、SDI、SCKO、SDO0和SDO1。通信在預(yù)定義的數(shù)據(jù)事務(wù)窗口內(nèi)進(jìn)行，新的軟量程配置字在窗口內(nèi)接受，轉(zhuǎn)換結(jié)果和通道配置信息以24位數(shù)據(jù)包的形式輸出。
• LVDS I/O模式：LVDS I/O模式使用差分信號傳輸信息，通信同樣在預(yù)定義的數(shù)據(jù)事務(wù)窗口內(nèi)進(jìn)行。SDO輸出的24位數(shù)據(jù)包包含轉(zhuǎn)換結(jié)果和通道配置信息，建議使用SCKO的上升和下降沿以雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）方式捕獲數(shù)據(jù)。

六、總結(jié)

LTC2341 - 18憑借其高性能、靈活的輸入配置、低功耗和寬溫度范圍等特性，成為了眾多應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇。在設(shè)計應(yīng)用時，需要注意模擬輸入、參考配置、電源考慮、時序控制和數(shù)字接口等方面的要點，以充分發(fā)揮該ADC的性能。同時，在PCB布局時應(yīng)遵循相關(guān)原則，確保數(shù)字和模擬信號分離，減少干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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