深入解析 LTC2372 - 18：18 位 500ksps 8 通道 SAR ADC 的卓越性能與應(yīng)用

引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們要詳細(xì)探討 Linear Technology 公司的 LTC2372 - 18，一款低噪聲、高速、高度可配置的 8 通道 18 位逐次逼近寄存器（SAR）ADC。它在眾多應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色，下面讓我們深入了解它的特性、電氣參數(shù)、應(yīng)用信息等方面。

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特性亮點(diǎn)

高性能指標(biāo)

• 高分辨率與吞吐量：具備 18 位分辨率且無漏碼，500ksps 的吞吐量速率，能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集的需求。
• 多通道與輸入范圍選擇：8 通道多路復(fù)用器，支持完全差分（±4.096V）、偽差分單極性（0V 到 4.096V）和偽差分雙極性（±2.048V）三種輸入范圍，提供了極大的靈活性。
• 低噪聲與高精度：典型情況下，全差分輸入時(shí) SNR 可達(dá) 100dB，THD 為 - 110dB，INL 最大為 ±2.75LSB，保證了高精度的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

功能特性

• 可編程序列器：可存儲(chǔ)多達(dá) 16 個(gè) 7 位控制字，能實(shí)現(xiàn)靈活的通道配置和輸入范圍選擇。
• 數(shù)字增益壓縮：該功能可定義滿量程輸入擺幅在 ±VREFBUF 模擬輸入范圍的 10% - 90%之間，便于單電源操作。
• 低功耗設(shè)計(jì)：典型功耗僅 27mW，還具備自動(dòng)休眠和睡眠模式，可根據(jù)采樣率動(dòng)態(tài)調(diào)整功耗。

電氣特性

輸入特性

• 輸入范圍：CH0 - CH7 的絕對(duì)輸入范圍為 - 0.1V 到 VREFBUF + 0.1V，不同輸入模式下有特定的輸入電壓范圍要求。
• 輸入電容與泄漏電流：采樣模式下模擬輸入電容為 75pF，輸入泄漏電流在 - 1μA 到 1μA 之間。

轉(zhuǎn)換特性

• 分辨率與線性度：18 位分辨率，無漏碼，INL 和 DNL 指標(biāo)良好，確保了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。
• 誤差指標(biāo)：零刻度誤差和滿刻度誤差在不同輸入模式下有相應(yīng)的規(guī)定，且誤差漂移和匹配指標(biāo)也較為出色。

動(dòng)態(tài)特性

• SINAD、SNR 和 THD：在不同輸入頻率和參考電壓下，這些動(dòng)態(tài)指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異，如全差分輸入時(shí)，1kHz 輸入頻率下 SINAD 典型值為 99.8dB，SNR 為 100dB，THD 為 - 114dB。
• 其他動(dòng)態(tài)參數(shù)：通道間串?dāng)_低至 - 107dB，- 3dB 輸入線性帶寬為 22MHz，孔徑延遲為 500ps，孔徑抖動(dòng)為 4ps RMS。

參考特性

• 內(nèi)部參考：內(nèi)部參考輸出電壓為 2.048V，溫度系數(shù)最大為 20ppm/°C，輸出阻抗為 15kΩ。
• 參考緩沖器：參考緩沖器輸出電壓為 4.096V，輸入電壓范圍為 2.5V - 5V，輸出阻抗在緩沖器禁用時(shí)為 13kΩ。

數(shù)字接口特性

• 電壓與電流：高電平輸入電壓為 0.8 ? OVDD，低電平輸入電壓為 0.2 ? OVDD，數(shù)字輸入電流在 - 10μA 到 10μA 之間。
• 輸出特性：高電平輸出電壓為 OVDD - 0.2V，低電平輸出電壓為 0.2V，Hi - Z 輸出泄漏電流在 - 10μA 到 10μA 之間。

電源特性

• 電源電壓：VDD 范圍為 4.75V - 5.25V，OVDD 范圍為 1.71V - 5.25V。
• 電流與功耗：500ksps 采樣率下，典型功耗為 27mW，睡眠模式下功耗低至 300μW。

時(shí)序特性

• 采樣頻率與轉(zhuǎn)換時(shí)間：最大采樣頻率為 500ksps，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 1 - 1.5μs。
• 其他時(shí)序參數(shù)：如采集時(shí)間、保持時(shí)間、CNV 高時(shí)間等都有明確規(guī)定，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

應(yīng)用信息

工作原理

LTC2372 - 18 工作分為采集和轉(zhuǎn)換兩個(gè)階段。采集階段，電荷再分配電容 D/A 轉(zhuǎn)換器（CDAC）通過多路復(fù)用器連接到選定的模擬輸入引腳；轉(zhuǎn)換階段，18 位 CDAC 通過逐次逼近算法，將采樣輸入與參考電壓的二進(jìn)制加權(quán)分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，最終得到數(shù)字輸出。

模擬輸入

• 輸入范圍配置：可配置為三種電壓范圍，不同范圍下對(duì)輸入引腳的電壓要求和輸出數(shù)據(jù)格式有所不同。
• 輸入驅(qū)動(dòng)電路：MUX 模擬輸入為高阻抗，低阻抗源可直接驅(qū)動(dòng)，高阻抗源需緩沖以優(yōu)化性能。同時(shí)，要考慮緩沖放大器和信號(hào)源的噪聲和失真，合理選擇濾波器。

參考配置

• 內(nèi)部參考與緩沖：內(nèi)部參考和參考緩沖配合使用，可提供穩(wěn)定的參考電壓。
• 外部參考：可通過外部參考對(duì)內(nèi)部參考或參考緩沖進(jìn)行過驅(qū)動(dòng)，以滿足更高的精度和低漂移需求。

動(dòng)態(tài)性能

通過快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)測試 ADC 的頻率響應(yīng)、失真和噪聲，LTC2372 - 18 在 AC 失真和噪聲測量方面有保證的測試極限。

電源考慮

• 電源供電：提供 5V 電源（VDD）和數(shù)字輸入/輸出接口電源（OVDD），OVDD 靈活的供電范圍可與不同邏輯電平的數(shù)字系統(tǒng)通信。
• 電源排序：無特定電源排序要求，但要注意最大電壓關(guān)系，上電復(fù)位（POR）電路可確保系統(tǒng)初始化。

時(shí)序與控制

• CNV 時(shí)序：CNV 上升沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中 BUSY 輸出指示狀態(tài)，轉(zhuǎn)換完成后 ADC 自動(dòng)掉電。
• 自動(dòng)休眠與睡眠模式：自動(dòng)休眠模式可根據(jù)采樣頻率降低功耗，睡眠模式可進(jìn)一步降低功耗至 300μW。

數(shù)字接口

• 串行接口：通過 RDL 控制串行數(shù)據(jù) I/O 總線的啟用和禁用，數(shù)據(jù)在 SCK 上升沿進(jìn)行移位和鎖存。
• 配置編程：通過 7 位控制字對(duì) ADC 的工作模式、通道配置和數(shù)字增益壓縮等進(jìn)行編程。

時(shí)序圖

詳細(xì)的時(shí)序圖展示了不同工作模式下的信號(hào)時(shí)序關(guān)系，包括 MUX 復(fù)位時(shí)序、單設(shè)備和多設(shè)備的工作時(shí)序、睡眠模式和復(fù)位時(shí)序等，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了重要參考。

板級(jí)布局

為獲得最佳性能，PCB 布局應(yīng)將數(shù)字和模擬信號(hào)線盡可能分開，旁路電容應(yīng)靠近電源引腳，模擬輸入走線應(yīng)進(jìn)行接地屏蔽。

典型應(yīng)用電路

驅(qū)動(dòng) MUX 模擬輸入

推薦使用 LT6237 ADC 驅(qū)動(dòng)器，配置為兩個(gè)單位增益緩沖器，可實(shí)現(xiàn)全差分或偽差分信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)，滿足 ADC 的 SNR 和 THD 規(guī)格要求。

單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換

使用 LT6350 ADC 驅(qū)動(dòng)器將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為全差分信號(hào)，可提高 SNR，實(shí)現(xiàn)全差分輸入范圍的性能。

多單端輸入應(yīng)用

在 MUXOUT + / - 和 ADCIN + / - 之間使用 LT6237 進(jìn)行單端到差分轉(zhuǎn)換，可在不犧牲 MUX 輸入的情況下實(shí)現(xiàn)全差分范圍的 SNR 優(yōu)勢。

單電源操作

啟用數(shù)字增益壓縮功能，使用 LTC6362 差分驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)單 5V 電源供電，降低系統(tǒng)功耗。

相關(guān)產(chǎn)品

Linear Technology 還提供了一系列相關(guān)產(chǎn)品，包括不同分辨率和采樣率的 ADC、DAC、參考源和放大器等，可滿足不同應(yīng)用場景的需求。

總結(jié)

LTC2372 - 18 以其高分辨率、高速、低噪聲、低功耗和靈活的配置特性，在可編程邏輯控制器、工業(yè)過程控制、高速數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)具體需求合理選擇輸入范圍、參考配置和驅(qū)動(dòng)電路，充分發(fā)揮該 ADC 的性能優(yōu)勢。同時(shí)，注意 PCB 布局和時(shí)序控制等方面的細(xì)節(jié)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似 ADC 的配置和使用問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。