LTC2421/LTC2422：20位微功耗無延遲?Σ ADC的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度、低功耗的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）一直是工程師們追求的目標(biāo)。LTC2421/LTC2422作為Linear Technology Corporation推出的1/2通道20位微功耗無延遲?Σ ADC，以其出色的性能和豐富的功能，為眾多應(yīng)用場(chǎng)景提供了理想的解決方案。

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一、器件概述

LTC2421/LTC2422工作在2.7V至5.5V的單電源下，采用MSOP - 10的超小封裝，集成了振蕩器，具有8ppm的積分非線性（INL）和1.2ppm的RMS噪聲。其獨(dú)特的數(shù)字濾波器架構(gòu)能夠在單個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)完成穩(wěn)定，消除了傳統(tǒng)?Σ轉(zhuǎn)換器中的延遲問題，大大簡(jiǎn)化了多路復(fù)用應(yīng)用。

1. 關(guān)鍵特性

• 高精度轉(zhuǎn)換：20位的分辨率，無丟失碼，確保了高精度的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換。
• 低功耗設(shè)計(jì)：低至200μA的供電電流，且支持自動(dòng)關(guān)機(jī)功能，有效降低了系統(tǒng)功耗。
• 靈活的配置：通過單個(gè)引腳可配置為在50Hz或60Hz ±2%時(shí)實(shí)現(xiàn)優(yōu)于110dB的抑制，也可由外部振蕩器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)1Hz至120Hz的用戶自定義抑制頻率。
• 寬輸入范圍：輸入轉(zhuǎn)換范圍為 - 12.5% VREF至112.5% VREF（VREF = FSSET - ZSSET），能夠有效解決傳感器或信號(hào)調(diào)理電路的偏移和過范圍問題。
• 兼容接口：通過2線或3線數(shù)字接口與SPI和MICROWIRE協(xié)議兼容，便于與其他設(shè)備進(jìn)行通信。

二、引腳功能

1. 電源與參考引腳

• VCC（引腳1）：正電源電壓，需使用10μF鉭電容與0.1μF陶瓷電容并聯(lián)旁路到GND引腳，以確保電源的穩(wěn)定。
• FSSET（引腳2）：滿量程設(shè)置輸入，定義了滿量程輸入值，當(dāng)VIN = FSSET時(shí)，ADC輸出滿量程（FFFFFH）。
• ZSSET（引腳5）：零量程設(shè)置輸入，定義了零量程輸入值，當(dāng)VIN = ZSSET時(shí)，ADC輸出零量程（00000H）。
• GND（引腳6）：接地引腳，為模擬地、數(shù)字地、參考地和信號(hào)地共享，應(yīng)通過最短的走線直接連接到接地平面，或作為單點(diǎn)接地系統(tǒng)中的單點(diǎn)接地。

2. 模擬輸入引腳

• CH0、CH1（引腳4、3）：模擬輸入通道，輸入電壓范圍為 - 0.125 ? VREF至1.125 ? VREF。對(duì)于LTC2422，轉(zhuǎn)換在CH0和CH1之間交替進(jìn)行；而LTC2421的引腳4為NC（無連接）。

3. 數(shù)字控制引腳

• CS（引腳7）：低電平有效數(shù)字輸入，拉低該引腳可使能SDO數(shù)字輸出并喚醒ADC。轉(zhuǎn)換完成后，若CS為高電平，ADC自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
• SDO（引腳8）：三態(tài)數(shù)字輸出，在數(shù)據(jù)輸出期間用于串行數(shù)據(jù)輸出；當(dāng)CS為高電平時(shí)，SDO處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。在轉(zhuǎn)換和睡眠期間，可作為轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出。
• SCK（引腳9）：雙向數(shù)字時(shí)鐘引腳，在內(nèi)部串行時(shí)鐘操作模式下作為數(shù)字輸出，在外部串行時(shí)鐘操作模式下作為數(shù)字輸入。
• FO（引腳10）：頻率控制引腳，控制ADC的陷波頻率和轉(zhuǎn)換時(shí)間。連接到VCC時(shí)，數(shù)字濾波器的第一個(gè)零點(diǎn)位于50Hz；連接到GND時(shí)，第一個(gè)零點(diǎn)位于60Hz；由外部時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，數(shù)字濾波器的第一個(gè)零點(diǎn)位于fEOSC/2560。

三、工作模式與應(yīng)用

1. 轉(zhuǎn)換操作周期

LTC2421/LTC2422的操作周期包括轉(zhuǎn)換、睡眠和數(shù)據(jù)輸出三個(gè)狀態(tài)。轉(zhuǎn)換完成后，若CS為高電平，設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)以降低功耗。當(dāng)CS拉低且SCK上升沿到來時(shí)，設(shè)備開始輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)據(jù)在SCK的下降沿更新，允許用戶在SCK的上升沿可靠地鎖存數(shù)據(jù)。

2. 頻率抑制選擇

通過FO引腳的連接，可選擇50Hz或60Hz的抑制，也可使用外部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)自定義的頻率抑制。在睡眠或數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)下改變選擇不會(huì)干擾轉(zhuǎn)換器的操作；若在轉(zhuǎn)換狀態(tài)下改變選擇，當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果可能超出規(guī)格，但后續(xù)轉(zhuǎn)換不受影響。

3. 串行接口模式

• 外部串行時(shí)鐘，單周期操作：使用外部串行時(shí)鐘移出轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過CS信號(hào)監(jiān)控和控制轉(zhuǎn)換周期的狀態(tài)。
• 外部串行時(shí)鐘，2線I/O：利用2線串行I/O接口，CS可永久接地，簡(jiǎn)化用戶接口。
• 內(nèi)部串行時(shí)鐘，單周期操作：使用內(nèi)部串行時(shí)鐘移出轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過CS信號(hào)監(jiān)控和控制轉(zhuǎn)換周期的狀態(tài)。
• 內(nèi)部串行時(shí)鐘，2線I/O，連續(xù)轉(zhuǎn)換：使用2線全輸出接口，CS可永久接地，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)換。
• 內(nèi)部串行時(shí)鐘，自動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換：在上述模式基礎(chǔ)上，通過外部定時(shí)電容連接到CS，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，適用于需要定期監(jiān)測(cè)和超低功耗的應(yīng)用。

4. 典型應(yīng)用

• 稱重秤：高精度的轉(zhuǎn)換和低噪聲特性，能夠準(zhǔn)確測(cè)量重量信號(hào)。
• 直接溫度測(cè)量：可直接數(shù)字化溫度傳感器的輸出，實(shí)現(xiàn)精確的溫度測(cè)量。
• 氣體分析儀：對(duì)氣體傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)換，提高分析的準(zhǔn)確性。
• 應(yīng)變計(jì)傳感器：消除寄生電阻帶來的誤差，準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)變計(jì)的輸出信號(hào)。
• 儀器儀表和數(shù)據(jù)采集：為各種儀器儀表和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供高精度的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換。
• 工業(yè)過程控制：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制工業(yè)過程中的各種參數(shù)。

四、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 接地與電源

為了保證LTC2421/LTC2422的精度，應(yīng)盡量減小輸入和參考信號(hào)串聯(lián)的接地路徑阻抗，降低通過該路徑的電流。GND引腳應(yīng)通過最短的走線連接到低電阻接地平面，推薦使用多個(gè)過孔以進(jìn)一步降低連接電阻。同時(shí)，在轉(zhuǎn)換狀態(tài)下應(yīng)盡量減少數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換次數(shù)，以降低電源電流。

2. 數(shù)字信號(hào)電平

數(shù)字輸入信號(hào)應(yīng)驅(qū)動(dòng)到全CMOS電平（VIL < 0.4V和VOH > (VCC - 0.4V)），以避免CMOS輸入接收器在0.5V至(VCC - 0.5V)范圍內(nèi)額外吸取電源電流。對(duì)于快速數(shù)字輸入信號(hào)，應(yīng)注意避免因阻抗不匹配導(dǎo)致的過沖和下沖問題，可通過在驅(qū)動(dòng)器或轉(zhuǎn)換器引腳附近放置27Ω至56Ω的串聯(lián)電阻來解決。

3. 輸入和參考驅(qū)動(dòng)

LTC2421/LTC2422的模擬輸入和參考信號(hào)應(yīng)用于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)，會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)輸入電流。為了實(shí)現(xiàn)1ppm的精度，VIN和VREF的等效時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于460ns。對(duì)于不同的輸入電容和參考電容，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的外部源電阻，以減少偏移和滿量程誤差。

五、總結(jié)

LTC2421/LTC2422以其高精度、低功耗、無延遲和靈活的配置等優(yōu)點(diǎn)，為電子工程師在各種應(yīng)用場(chǎng)景中提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要充分考慮接地、電源、數(shù)字信號(hào)電平和輸入?yún)⒖简?qū)動(dòng)等因素，以確保器件的性能得到充分發(fā)揮。你在使用LTC2421/LTC2422的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。