LTC2336 - 18：高性能18位ADC的全面解析

在電子工程師的日常工作中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵組件。今天我們來詳細(xì)探討一下Linear Technology公司的LTC2336 - 18，這是一款低噪聲、高速的18位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

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1. 產(chǎn)品概述

LTC2336 - 18采用單5V電源供電，具有±10.24V的真雙極性輸入范圍，非常適合需要寬動態(tài)范圍的高壓應(yīng)用。它能夠?qū)崿F(xiàn)最大±4LSB的積分非線性（INL），18位無失碼，信噪比（SNR）可達(dá)100dB。

1.1 主要特性

• 高吞吐量：250ksps的吞吐量，無周期延遲，適合各種高速應(yīng)用。
• 高精度：保證18位無失碼，±4LSB INL（最大）。
• 寬輸入范圍：支持±6.25V、±10.24V、±12.5V的真雙極性輸入范圍。
• 低噪聲：在 (f_{IN}=2 kHz) 時，典型SNR為100dB，總諧波失真（THD）為 - 115dB。
• 溫度性能：保證在125°C下正常工作。
• 低功耗：典型功耗28mW，還提供睡眠模式，功耗可降至300μW。
• 靈活的接口：SPI兼容的串行I/O，支持1.8V - 5V的I/O電壓，具有菊花鏈模式。

2. 技術(shù)參數(shù)詳解

2.1 電氣特性

• 輸入范圍：絕對輸入范圍（IN + 和IN - ）為 - 2.5 ? VREFBUF - 0.25V至2.5 ? VREFBUF + 0.25V，輸入差分電壓范圍為 - 5 ? VREFBUF至5 ? VREFBUF。
• 轉(zhuǎn)換器特性：分辨率為18位，無失碼，過渡噪聲為0.8LSBRMS，INL最大為±4LSB，DNL最大為±1LSB。
• 動態(tài)精度：在不同輸入范圍和頻率下，SINAD、SNR、THD和SFDR等指標(biāo)表現(xiàn)出色。例如，在±10.24V范圍， (f_{IN}=2 kHz) ，REFIN = 2.048V時，SINAD典型值為100dB，SNR典型值為100dB，THD典型值為 - 115dB。

2.2 內(nèi)部參考特性

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。參考緩沖器輸出電壓為4.096V，輸入電壓范圍為2.5V - 5V。

2.3 數(shù)字輸入輸出特性

數(shù)字輸入高電平電壓為0.8 ? OVDD，低電平電壓為0.2 ? OVDD，輸入電流范圍為 - 10μA至10μA，輸入電容為5pF。數(shù)字輸出高電平電壓為OVDD - 0.2V，低電平電壓為0.2V。

2.4 電源要求

VDD電源電壓范圍為4.75V - 5.25V，OVDD電源電壓范圍為1.71V - 5.25V。在250ksps采樣率下，典型功耗為28mW。

3. 工作原理

3.1 轉(zhuǎn)換器操作

LTC2336 - 18的工作分為采集和轉(zhuǎn)換兩個階段。在采集階段，電荷再分配電容D/A轉(zhuǎn)換器（CDAC）連接到由IN + 和IN - 引腳驅(qū)動的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的輸出，采樣差分模擬輸入電壓的衰減和電平轉(zhuǎn)換版本。CNV引腳的上升沿啟動轉(zhuǎn)換，在轉(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，最終輸出近似采樣模擬輸入的數(shù)字代碼。

3.2 傳輸函數(shù)

LTC2336 - 18將±5 ? REFBUF的滿量程電壓數(shù)字化為 (2^{18}) 個電平，當(dāng)REFBUF = 4.096V時，LSB大小為156μV，輸出數(shù)據(jù)采用2的補(bǔ)碼格式。

4. 應(yīng)用電路設(shè)計

4.1 模擬輸入

模擬輸入為全差分輸入，可通過等效電路建模。輸入的背對背二極管提供ESD保護(hù)，電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)對輸入信號進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換。在采集階段，采樣CDAC的45pF電容與采樣開關(guān)的約50Ω導(dǎo)通電阻串聯(lián)連接到電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的輸出。

4.2 輸入驅(qū)動電路

為了獲得最佳性能，建議使用緩沖放大器驅(qū)動LTC2336 - 18的模擬輸入。緩沖放大器提供低輸出阻抗，可最小化增益誤差，并允許模擬信號在采集階段快速穩(wěn)定。對于噪聲較大的輸入信號，應(yīng)在緩沖放大器輸入之前使用低帶寬濾波器進(jìn)行濾波。

4.3 單端到差分轉(zhuǎn)換

對于單端輸入信號，需要使用單端到差分轉(zhuǎn)換電路。推薦使用LT1469高速雙運算放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的性能。

4.4 ADC參考

提供了三種提供ADC參考的方式：

• 內(nèi)部參考和參考緩沖器：使用內(nèi)部低噪聲、低漂移的帶隙參考，REFIN引腳輸出2.048V，參考緩沖器將其增益到4.096V，輸入范圍為±10.24V。
• 外部參考與內(nèi)部緩沖器：可以通過外部參考驅(qū)動REFIN引腳，范圍為1.25V - 2.4V，REFBUF輸出為2 ? REFIN，輸入范圍為±5 ? REFIN。
• 外部參考無緩沖：將REFIN接地，禁用內(nèi)部參考緩沖器，通過外部參考驅(qū)動REFBUF引腳，輸入范圍為±6.25V - ±12.5V。

5. 動態(tài)性能測試

使用快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)測試ADC的頻率響應(yīng)、失真和噪聲。LTC2336 - 18在額定吞吐量下提供了有保證的交流失真和噪聲測量限制。例如，在250kHz采樣率和2kHz輸入下，典型SINAD為100dB，SNR為100dB。

6. 功耗考慮

LTC2336 - 18提供5V電源（VDD）和數(shù)字輸入/輸出接口電源（OVDD）。該器件沒有特定的電源排序要求，但要注意絕對最大額定值中的電壓關(guān)系。它具有上電復(fù)位（POR）電路，在電源電壓低于2V時會復(fù)位，重新進(jìn)入正常范圍后會重新初始化。在POR事件后200μs內(nèi)不應(yīng)啟動轉(zhuǎn)換，以免產(chǎn)生無效結(jié)果。

7. 時序和控制

7.1 CNV時序

CNV引腳控制轉(zhuǎn)換，上升沿啟動轉(zhuǎn)換并為LTC2336 - 18上電。轉(zhuǎn)換開始后，必須等待轉(zhuǎn)換完成才能重新啟動。為了獲得最佳性能，CNV應(yīng)使用低抖動信號驅(qū)動。BUSY輸出指示轉(zhuǎn)換狀態(tài)，轉(zhuǎn)換進(jìn)行時為高電平。

7.2 采集

專有采樣架構(gòu)允許LTC2336 - 18在當(dāng)前轉(zhuǎn)換開始527ns后開始采集下一次轉(zhuǎn)換的輸入信號，采集時間延長至3.460μs，降低了穩(wěn)定要求，可使用低功耗的ADC驅(qū)動器。

7.3 內(nèi)部轉(zhuǎn)換時鐘

內(nèi)部時鐘經(jīng)過調(diào)整，最大轉(zhuǎn)換時間為3μs。

7.4 自動休眠模式

轉(zhuǎn)換完成后，LTC2336 - 18自動進(jìn)入休眠模式，只有ADC核心斷電，其他電路保持活躍。新轉(zhuǎn)換啟動時，器件完全上電。該模式可隨著采樣頻率降低而降低功耗。

7.5 睡眠模式

為了進(jìn)一步節(jié)省功耗，LTC2336 - 18提供睡眠模式。在睡眠模式下，整個器件除了少量待機(jī)電流外完全斷電，功耗為300μW。進(jìn)入睡眠模式需在沒有SCK上升沿的情況下兩次切換CNV，喚醒時需要等待參考和參考緩沖器充電完成。

8. 數(shù)字接口

LTC2336 - 18具有串行數(shù)字接口，支持1.8V - 5V的數(shù)字邏輯。串行輸出數(shù)據(jù)在SCK引腳施加外部時鐘時從SDO引腳輸出，數(shù)據(jù)在SCK上升沿改變狀態(tài)。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，提供了正常模式和菊花鏈模式。

8.1 正常模式 - 單設(shè)備

當(dāng)CHAIN = 0時，LTC2336 - 18工作在正常模式，RDL/SDI引腳用于啟用或禁用SDO引腳。

8.2 正常模式 - 多設(shè)備

多個LTC2336 - 18設(shè)備在正常模式下可共享CNV、SCK和SDO引腳，通過RDL/SDI引腳選擇輸出數(shù)據(jù)的設(shè)備，避免總線沖突。

8.3 菊花鏈模式 - 多設(shè)備

當(dāng)CHAIN = OVDD時，LTC2336 - 18工作在菊花鏈模式，SDO始終啟用，RDL/SDI作為串行數(shù)據(jù)輸入引腳，適用于硬件資源有限的應(yīng)用。

9. 電路板布局

為了獲得最佳性能，建議使用印刷電路板（PCB），并確保數(shù)字和模擬信號線盡可能分開。旁路電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳，模擬輸入走線應(yīng)進(jìn)行接地屏蔽。

10. 相關(guān)產(chǎn)品

Linear Technology還提供了一系列相關(guān)的ADC、DAC、參考和放大器產(chǎn)品，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

總之，LTC2336 - 18是一款性能出色的18位ADC，具有高吞吐量、高精度、低噪聲和低功耗等優(yōu)點，適用于可編程邏輯控制器、工業(yè)過程控制、高速數(shù)據(jù)采集等多種應(yīng)用場景。電子工程師在設(shè)計過程中，可根據(jù)具體需求合理選擇和應(yīng)用該器件，以實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。你在使用類似ADC器件時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享。