LTC2368-18：高性能18位SAR ADC的深度解析

在電子工程師的日常工作中，選擇合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對于實現(xiàn)系統(tǒng)的高性能至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討一下Linear Technology公司的LTC2368-18這款18位逐次逼近寄存器（SAR）ADC。

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一、產(chǎn)品概述

LTC2368-18是一款低噪聲、低功耗、高速的18位SAR ADC。它采用2.5V單電源供電，支持0V至 (V{REF}) 的偽差分單極性輸入范圍，其中 (V{REF}) 范圍為2.5V至5.1V，非常適合需要寬動態(tài)范圍的高性能應用。該ADC能夠?qū)崿F(xiàn)±2.5LSB的最大積分非線性（INL），18位無漏碼，信噪比（SNR）可達97dB。

1. 關(guān)鍵特性

• 高吞吐量：具有1Msps的吞吐量，且無周期延遲，適用于各種高速應用。
• 低功耗：在1Msps采樣率下功耗僅為13.5mW，在1ksps采樣率下功耗為13.5μW。
• 寬輸入范圍：偽差分單極性輸入范圍為0V至 (V{REF}) ， (V{REF}) 范圍為2.5V至5.1V。
• 高速SPI接口：支持1.8V、2.5V、3.3V和5V邏輯，還具備菊花鏈模式。
• 內(nèi)部振蕩器：內(nèi)部振蕩器設(shè)置轉(zhuǎn)換時間，簡化了外部時序設(shè)計。
• 自動掉電功能：轉(zhuǎn)換之間自動掉電，降低功耗，且功耗隨采樣率降低而降低。

二、電氣特性

1. 模擬輸入特性

• 輸入范圍： (V{IN+}) 的絕對輸入范圍為 -0.1V至 (V{REF}) +0.1V， (V{IN-}) 的絕對輸入范圍為 -0.1V至0.1V，輸入差分電壓范圍為0V至 (V{REF}) 。
• 輸入電容：采樣模式下為45pF，保持模式下為5pF。
• 輸入共模抑制比（CMRR）：在 (f_{IN}=500kHz) 時，典型值為80dB。

2. 轉(zhuǎn)換器特性

• 分辨率：18位，無漏碼。
• 線性誤差：INL最大為±2.5LSB，DNL最大為±0.5LSB。
• 零刻度誤差和滿刻度誤差：零刻度誤差范圍為 -11LSB至11LSB，滿刻度誤差范圍為 -50LSB至50LSB。

3. 動態(tài)精度

• SINAD：在 (f{IN}=2kHz) ， (V{REF}=5V) 時，典型值為97dB。
• SNR：在 (f{IN}=2kHz) ， (V{REF}=5V) 時，典型值為97dB。
• THD：在 (f{IN}=2kHz) ， (V{REF}=5V) 時，典型值為 -120dB。
• SFDR：在 (f{IN}=2kHz) ， (V{REF}=5V) 時，典型值為120dB。

4. 時序特性

• 最大采樣頻率：1Msps。
• 轉(zhuǎn)換時間：典型值為460ns，最大值為527ns。
• 采集時間：典型值為460ns。
• 轉(zhuǎn)換間隔時間：1μs。

5. 電源要求

• VDD：電源電壓范圍為2.375V至2.625V。
• OVDD：I/O接口數(shù)字電源電壓范圍為1.71V至5.25V。
• 功耗：在1Msps采樣率下功耗為13.5mW，轉(zhuǎn)換完成時功耗為2.25mW（ (V_{REF}>2V) ）。

三、引腳功能

LTC2368-18采用16引腳封裝，各引腳功能如下：

• CHAIN（引腳1）：菊花鏈模式選擇引腳。低電平時，ADC工作在正常模式；高電平時，工作在菊花鏈模式。
• VDD（引腳2）：2.5V電源，需用10μF陶瓷電容旁路到地。
• GND（引腳3、6、10和16）：接地引腳。
• IN+（引腳4）：模擬輸入，與IN-構(gòu)成差分輸入，輸入范圍為0V至 (V_{REF}) 。
• IN-（引腳5）：模擬地感應，輸入范圍為±100mV，需連接到地平面或遠程地感應。
• REF（引腳7、8）：參考輸入，范圍為2.5V至5.1V，需用47μF陶瓷電容（X5R，0805尺寸）靠近引腳去耦。
• CNV（引腳9）：轉(zhuǎn)換輸入，上升沿啟動轉(zhuǎn)換并為ADC上電。
• BUSY（引腳11）：忙指示，轉(zhuǎn)換開始時為高電平，轉(zhuǎn)換完成后為低電平。
• RDL/SDI（引腳12）：正常模式下為總線使能輸入，菊花鏈模式下為串行數(shù)據(jù)輸入。
• SCK（引腳13）：串行數(shù)據(jù)時鐘輸入，SDO使能時，轉(zhuǎn)換結(jié)果或菊花鏈數(shù)據(jù)在該時鐘上升沿輸出。
• SDO（引腳14）：串行數(shù)據(jù)輸出，轉(zhuǎn)換結(jié)果或菊花鏈數(shù)據(jù)在SCK上升沿輸出，數(shù)據(jù)為直二進制格式。
• OVDD（引腳15）：I/O接口數(shù)字電源，范圍為1.71V至5.25V，需用0.1μF電容旁路到地。
• GND（外露焊盤引腳17，僅DFN封裝）：接地，外露焊盤需直接焊接到地平面。

四、工作原理

1. 轉(zhuǎn)換操作

LTC2368-18的工作分為兩個階段：采集階段和轉(zhuǎn)換階段。

• 采集階段：電荷再分配電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器（CDAC）連接到IN+和IN-引腳，采樣偽差分模擬輸入電壓。
• 轉(zhuǎn)換階段：CNV引腳的上升沿啟動轉(zhuǎn)換，18位CDAC通過逐次逼近算法，將采樣輸入與參考電壓的二進制加權(quán)分數(shù)進行比較，最終CDAC輸出近似采樣的模擬輸入。ADC控制邏輯準備18位數(shù)字輸出代碼用于串行傳輸。

2. 傳輸函數(shù)

LTC2368-18將REF的滿量程電壓數(shù)字化為 (2^{18}) 個電平，當 (REF = 5V) 時，LSB大小為19μV。輸出數(shù)據(jù)為直二進制格式。

五、應用信息

1. 輸入驅(qū)動電路

• 低阻抗源：可直接驅(qū)動LTC2368-18的高阻抗輸入，無增益誤差。
• 高阻抗源：需使用緩沖放大器，以減少采集時的建立時間，優(yōu)化ADC的失真性能。緩沖放大器可提供低輸出阻抗，在采集階段使模擬信號快速建立，并隔離信號源和ADC輸入的電流尖峰。
• 輸入濾波：需考慮緩沖放大器和信號源的噪聲和失真，可使用簡單的1極RC低通濾波器（LPF1）對噪聲輸入信號進行濾波。在緩沖器和ADC輸入之間使用LPF2，以減少緩沖器的噪聲貢獻，并減少采樣瞬變對緩沖器的干擾。

2. 偽差分單極性輸入

推薦使用低功耗的LT6202 ADC驅(qū)動器來驅(qū)動LTC2368-18。LT6202噪聲密度低，可將各種幅度的信號轉(zhuǎn)換為LTC2368-18的0V至5V輸入范圍。通過將LT6202配置為單位增益緩沖器，可實現(xiàn)LTC2368-18的數(shù)據(jù)手冊THD規(guī)格 -120dB。

3. ADC參考

LTC2368-18需要外部參考來定義輸入范圍，推薦使用低噪聲、低溫漂的參考源，如LTC6655-5。LTC6655-5初始精度高，溫度系數(shù)低，適用于高精度應用，且在H級溫度范圍內(nèi)完全規(guī)格化，可與LTC2368-18的擴展溫度操作互補。

4. 動態(tài)性能

使用快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)測試ADC的頻率響應、失真和噪聲。LTC2368-18在額定吞吐量下提供AC失真和噪聲測量的保證測試極限。

• SINAD：在1MHz采樣率和2kHz輸入下，典型值為97.1dB。
• SNR：在1MHz采樣率和2kHz輸入下，典型值為97.2dB。
• THD：在1MHz采樣率和2kHz輸入下，典型值為 -120dB。

5. 功耗考慮

LTC2368-18提供2.5V電源（VDD）和數(shù)字輸入/輸出接口電源（OVDD）。OVDD電源靈活，可與1.8V至5V的數(shù)字邏輯通信。ADC具有自動掉電功能，轉(zhuǎn)換完成后自動掉電，新轉(zhuǎn)換開始時上電，可降低功耗。

6. 時序和控制

• CNV時序：CNV上升沿啟動轉(zhuǎn)換并為ADC上電，轉(zhuǎn)換完成前不能重啟。BUSY輸出指示轉(zhuǎn)換狀態(tài)，為確保數(shù)字化結(jié)果無誤差，CNV的額外轉(zhuǎn)換應在轉(zhuǎn)換開始后40ns內(nèi)或轉(zhuǎn)換完成后進行。
• 內(nèi)部轉(zhuǎn)換時鐘：LTC2368-18具有內(nèi)部時鐘，最大轉(zhuǎn)換時間為527ns，最小采集時間為460ns，保證1Msps的吞吐量，無需外部調(diào)整。
• 自動掉電：轉(zhuǎn)換完成后自動掉電，新轉(zhuǎn)換開始時上電。為降低掉電期間的功耗，可禁用SDO并關(guān)閉SCK。

7. 數(shù)字接口

LTC2368-18具有串行數(shù)字接口，OVDD電源靈活，可與1.8V至5V的數(shù)字邏輯通信。串行輸出數(shù)據(jù)在SCK引腳施加外部時鐘且SDO使能時，在SDO引腳輸出。轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)據(jù)可獲得最佳性能，移位時鐘頻率至少為100MHz時，仍可實現(xiàn)1Msps的吞吐量。

8. 時序圖

• 正常模式，單設(shè)備：CHAIN = 0時，RDL/SDI控制SDO的使能。RDL/SDI為低電平時，SDO使能，新轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的MSB在BUSY下降沿可用。
• 正常模式，多設(shè)備：多個LTC2368-18設(shè)備共享CNV、SCK和SDO，RDL/SDI輸入用于選擇每次驅(qū)動SDO的ADC，避免總線沖突。
• 菊花鏈模式，多設(shè)備：CHAIN = (OV_{DD}) 時，SDO始終使能，RDL/SDI作為串行數(shù)據(jù)輸入（SDI），用于輸入另一個ADC的菊花鏈數(shù)據(jù)。

六、電路板布局

為獲得LTC2368-18的最佳性能，建議使用印刷電路板（PCB）。布局時應盡量分離數(shù)字和模擬信號線，避免數(shù)字時鐘或信號與模擬信號并行或在ADC下方布線。推薦使用單一實心接地平面，旁路電容應盡量靠近電源引腳，模擬輸入走線應接地屏蔽。

七、典型應用

LTC2368-18適用于多種應用場景，如醫(yī)療成像、高速數(shù)據(jù)采集、便攜式或緊湊型儀器、工業(yè)過程控制、低功耗電池供電儀器和自動測試設(shè)備（ATE）等。

八、相關(guān)部件

Linear Technology還提供了一系列相關(guān)部件，包括其他ADC、DAC、參考源和放大器等，可根據(jù)具體應用需求進行選擇。

綜上所述，LTC2368-18是一款性能優(yōu)異的18位SAR ADC，具有低噪聲、低功耗、高速等特點，適用于多種高性能應用。在設(shè)計過程中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇輸入驅(qū)動電路、參考源等，并注意電路板布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。