18位、250ksps、低功耗SAR ADC：LTC2376 - 18的深度解析

作為一名電子工程師，在設(shè)計項目中，選擇合適的ADC是實現(xiàn)高性能系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。今天我將深入剖析Linear Technology公司推出的LTC2376 - 18這款18位、250ksps、低功耗SAR ADC，希望能為大家在實際設(shè)計中提供有價值的參考。

文件下載：LTC2376-18.pdf

一、產(chǎn)品特點

高性能參數(shù)

• 高精度：保證±1.75LSB的INL（積分非線性），而且18位無失碼，在 (f_{IN}=2kHz) 時典型SNR（信噪比）高達(dá)102dB，THD（總諧波失真）達(dá)到–126dB，能夠滿足對信號精度要求極高的應(yīng)用場景。
• 高速度：具備250ksps的吞吐量，且無周期延遲，這使得它非常適合應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集、醫(yī)學(xué)成像等對速度要求嚴(yán)苛的領(lǐng)域。

低功耗特性

功耗表現(xiàn)十分優(yōu)異，在250ksps時僅消耗3.4mW，在250sps時功耗更是低至3.4μW。同時，它在轉(zhuǎn)換之間會自動進(jìn)入掉電模式，功耗會隨著采樣率的降低而相應(yīng)減少，這對于那些依靠電池供電的便攜式設(shè)備來說至關(guān)重要。

靈活的輸入范圍與接口

• 輸入范圍廣：支持±(V{REF}) 的全差分輸入范圍，其中 (V{REF}) 可在2.5V至5.1V之間靈活調(diào)整，能適應(yīng)不同的輸入信號要求。
• 接口兼容性強：擁有與SPI兼容的高速串行接口，支持1.8V、2.5V、3.3V和5V邏輯，還具備菊花鏈模式，方便在多芯片系統(tǒng)中使用。

獨特的數(shù)字增益壓縮（DGC）功能

該功能能夠在保留ADC全部分辨率的同時，去除驅(qū)動放大器的負(fù)電源。當(dāng)啟用DGC功能時，ADC會進(jìn)行數(shù)字縮放，將零刻度代碼從0V映射到 (0.1 cdot V{REF}) ，滿刻度代碼從 (V{REF}) 映射到 (0.9 cdot V_{REF}) 。以典型的5V參考電壓為例，滿量程輸入范圍變?yōu)?.5V至4.5V，這為使用單5.5V電源為驅(qū)動放大器供電提供了足夠的裕量。

二、技術(shù)規(guī)格

絕對最大額定值

在使用過程中，必須嚴(yán)格遵守其絕對最大額定值，如電源電壓、模擬輸入電壓、REF/DGC輸入、數(shù)字輸入和輸出電壓等都有明確的限制范圍，超出這些范圍可能會對器件造成永久性損壞。

電氣特性

• 輸入特性：模擬輸入的絕對范圍為 –0.05 (V{REF}) 至 +0.05 (V{REF}) ，輸入差分電壓范圍為 – (V{REF}) 至 + (V{REF}) ，共模輸入范圍為 (V{REF}/2) ± (V{REF}/2) 。
• 轉(zhuǎn)換特性：分辨率為18位，無失碼，積分線性誤差最大為±1.75LSB，差分線性誤差為±0.5LSB。
• 動態(tài)精度：不同條件下，SINAD（信納比）、SNR（信噪比）、THD（總諧波失真）和SFDR（無雜散動態(tài)范圍）等參數(shù)表現(xiàn)出色，例如在 (f{IN}=2kHz) 、 (V{REF}=5V) 時，典型SINAD為102dB，THD為–126dB。

時序特性

包括最大采樣頻率、轉(zhuǎn)換時間、采集時間、保持時間等參數(shù)，這些參數(shù)對于系統(tǒng)的時序設(shè)計至關(guān)重要。例如，最大采樣頻率為250ksps，轉(zhuǎn)換時間為1.9 - 3μs。

電源要求

(V{DD}) 電源電壓范圍為2.375V至2.625V， (OV{DD}) 電源電壓范圍為1.71V至5.25V，不同采樣率和工作模式下的電源電流和功耗也有相應(yīng)的規(guī)定。

參考輸入

參考電壓 (V_{REF}) 范圍為2.5V至5.1V，參考輸入電流為0.16 - 0.2mA，同時REF/DGC引腳有相應(yīng)的高低電平輸入電壓要求。

數(shù)字輸入和輸出

規(guī)定了數(shù)字輸入的高低電平電壓、輸入電流、電容，以及數(shù)字輸出的高低電平電壓、漏電流、源電流和灌電流等參數(shù)。

三、引腳功能

該器件采用16引腳的MSOP和4mm × 3mm的DFN封裝，每個引腳都有其特定的功能：

• CHAIN（引腳1）：用于選擇鏈模式或正常模式。
• (V_{DD}) （引腳2）：2.5V電源，范圍為2.375V至2.625V，需通過一個10μF陶瓷電容旁路到地。
• (IN+) 、 (IN-) （引腳4、5）：正負(fù)差分模擬輸入。
• REF（引腳7）：參考輸入，范圍為2.5V至5.1V，需通過一個47μF陶瓷電容（X5R，0805尺寸）進(jìn)行去耦。
• CNV（引腳9）：轉(zhuǎn)換輸入，其上升沿可啟動新的轉(zhuǎn)換。
• BUSY（引腳11）：忙指示，轉(zhuǎn)換開始時變高，結(jié)束時變低。
• RDL/SDI（引腳12）：根據(jù)CHAIN引腳狀態(tài)，可作為總線使能輸入或串行數(shù)據(jù)輸入。
• SCK（引腳13）：串行數(shù)據(jù)時鐘輸入。
• SDO（引腳14）：串行數(shù)據(jù)輸出，輸出數(shù)據(jù)為2的補碼形式。
• (OV_{DD}) （引腳15）：I/O接口數(shù)字電源，范圍為1.71V至5.25V，需通過一個0.1μF電容旁路到地。

四、應(yīng)用電路設(shè)計要點

輸入驅(qū)動電路

• 低阻抗源：可以直接驅(qū)動LTC2376 - 18的高阻抗輸入，不會產(chǎn)生增益誤差。
• 高阻抗源：需要進(jìn)行緩沖，以減少采集期間的建立時間，優(yōu)化ADC的失真性能。建議使用緩沖放大器，它能提供低輸出阻抗，加速采集階段模擬信號的建立，同時隔離信號源和ADC輸入產(chǎn)生的電流尖峰。

輸入濾波

• 噪聲和失真：緩沖放大器和信號源的噪聲和失真會影響ADC的性能，因此需要對有噪聲的輸入信號進(jìn)行濾波，可使用簡單的1 - 極點RC低通濾波器（LPF1）。
• 多級濾波：在緩沖器和ADC輸入之間使用另一個濾波網(wǎng)絡(luò)（LPF2），以減少緩沖器的噪聲貢獻(xiàn)，并降低采樣瞬變對緩沖器的干擾。需要注意的是，模擬輸入的長RC時間常數(shù)會減慢模擬輸入的建立速度，因此LPF2需要比LPF1具有更寬的帶寬。同時，應(yīng)選擇低噪聲密度的緩沖放大器，以減少對SNR的影響。

單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換

對于單端輸入信號，需要使用單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換電路，推薦使用LT6350 ADC驅(qū)動器。它具有靈活性，可將不同幅度的單端信號轉(zhuǎn)換為LTC2376 - 18的±5V差分輸入范圍，且有H級版本可配合LTC2376 - 18在高達(dá)125°C的擴展溫度下工作。

全差分輸入

為了實現(xiàn)LTC2376 - 18的全失真性能，可以使用低失真的全差分信號源，并通過配置為兩個單位增益緩沖器的LT6203進(jìn)行驅(qū)動，從而達(dá)到數(shù)據(jù)手冊中–126dB的THD規(guī)格。

數(shù)字增益壓縮應(yīng)用

啟用數(shù)字增益壓縮功能后，可使LT6350僅需一個+5.5V單電源供電，從而為整個系統(tǒng)節(jié)省更多的功率。同時，需要合理配置LT6350以適應(yīng)不同的輸入信號，如將±10V的真雙極性輸入信號衰減并電平轉(zhuǎn)換到LTC2376 - 18的縮小輸入范圍。

ADC參考

LTC2376 - 18需要一個外部參考來定義其輸入范圍，推薦使用Linear Technology的LTC6655 - 5參考源，它具有小尺寸、低功耗和高精度的特點，初始精度為0.025%（最大），溫度系數(shù)為2ppm/°C（最大），適用于高精度應(yīng)用，并能在H級溫度范圍內(nèi)與LTC2376 - 18配合工作。

五、常見問題與思考

電源穩(wěn)定性問題

在實際應(yīng)用中， (V{DD}) 和 (OV{DD}) 電源的穩(wěn)定性對ADC的性能有顯著影響。那么在設(shè)計電源電路時，如何選擇合適的電源芯片和濾波電容，以確保電源的穩(wěn)定性和低噪聲呢？

輸入信號匹配問題

不同的輸入信號源具有不同的阻抗和特性，如何根據(jù)輸入信號的特點來設(shè)計輸入驅(qū)動電路和濾波電路，以實現(xiàn)最佳的匹配和性能呢？

數(shù)字增益壓縮的選擇問題

數(shù)字增益壓縮功能雖然能帶來電源方面的優(yōu)勢，但也會改變輸入范圍和轉(zhuǎn)換特性。在具體應(yīng)用中，如何判斷是否需要啟用數(shù)字增益壓縮功能，以及如何進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置呢？

總之，LTC2376 - 18是一款性能卓越、功能豐富的ADC芯片，在高速、高精度和低功耗等方面表現(xiàn)出色。但在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計需求，綜合考慮各種因素，合理設(shè)計電路，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。大家在使用LTC2376 - 18的過程中，遇到過哪些問題或者有什么獨特的應(yīng)用技巧呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。