深入剖析 LTC2333-16：高性能 16 位 ADC 的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模數(shù)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，我們就來(lái)詳細(xì)探討一款性能出色的 16 位 ADC——LTC2333 - 16，看看它在實(shí)際應(yīng)用中能為我們帶來(lái)怎樣的驚喜。

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一、產(chǎn)品概述

LTC2333 - 16 是一款 16 位、低噪聲、8 通道復(fù)用逐次逼近寄存器（SAR）ADC，具有緩沖差分、寬共模范圍皮安輸入的特點(diǎn)。它采用 5V 低電壓電源和靈活的高電壓電源，通常為 ±15V。借助集成的低漂移參考和緩沖器（ (V_{REFBUF } = 4.096V) 標(biāo)稱值），這款 SoftSpan ADC 可以在每次轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上進(jìn)行配置，以接受 ±10.24V、0V 至 10.24V、±5.12V 或 0V 至 5.12V 的信號(hào)。此外，它還可以編程為自動(dòng)循環(huán)通過(guò)一系列通道和范圍，無(wú)需用戶進(jìn)一步干預(yù)。

二、關(guān)鍵特性

2.1 輸入特性

• 寬共模范圍：輸入共模電壓范圍為 (V{EE} + 4V) 至 (V{CC} - 4V) ，這使得它能夠適應(yīng)各種不同的信號(hào)環(huán)境，大大增強(qiáng)了其在復(fù)雜電路中的適用性。
• 高輸入阻抗：模擬輸入電阻大于 1000GΩ，輸入電容僅為 3pF，這意味著它對(duì)輸入信號(hào)的影響極小，能夠準(zhǔn)確地采集信號(hào)。
• 低輸入泄漏電流：C 級(jí)和 I 級(jí)的模擬輸入泄漏電流典型值為 5pA，H 級(jí)為 12nA，在 85°C/125°C 時(shí)最大輸入泄漏電流分別為 500pA/12nA，有效減少了信號(hào)的損失。
• 出色的共模抑制比（CMRR）：達(dá)到 128dB，能夠有效抑制共模信號(hào)的干擾，提高信號(hào)的質(zhì)量。

2.2 轉(zhuǎn)換性能

• 高分辨率：16 位分辨率保證了高精度的信號(hào)轉(zhuǎn)換，無(wú)丟失碼，確保了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。
• 高采樣率：最高采樣頻率可達(dá) 800ksps，能夠滿足大多數(shù)高速信號(hào)采集的需求。
• 低噪聲：?jiǎn)无D(zhuǎn)換 SNR 典型值為 94.2dB，THD 典型值為 -110dB（ (f_{IN} = 2kHz) ），有效降低了噪聲對(duì)信號(hào)的影響。
• 低積分非線性（INL）：最大 ±10.24V 范圍時(shí)，INL 為 ±1LSB，保證了轉(zhuǎn)換的線性度。

2.3 接口特性

支持引腳可選的 SPI CMOS（1.8V 至 5V）和 LVDS 串行接口，這使得它能夠與傳統(tǒng)微控制器和現(xiàn)代 FPGA 進(jìn)行良好的通信，增強(qiáng)了其通用性。

2.4 功耗特性

典型功耗為 268mW（800ksps 吞吐量），并且提供可選的休眠和掉電模式，可在非活動(dòng)期間進(jìn)一步降低功耗，提高能源效率。

三、工作原理

3.1 轉(zhuǎn)換操作

LTC2333 - 16 的工作分為兩個(gè)階段：采集階段和轉(zhuǎn)換階段。在采集階段，每個(gè)通道的采樣電容連接到各自的模擬輸入引腳，跟蹤差分模擬輸入電壓（ (V{IN}+ - V{IN}-) ）。當(dāng) CNV 引腳出現(xiàn)上升沿時(shí)，采樣保持（S/H）電路從跟蹤模式轉(zhuǎn)換到保持模式，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換階段，所選通道的采樣電容連接到 16 位電荷再分配電容 D/A 轉(zhuǎn)換器（CDAC），通過(guò)逐次逼近算法，將采樣的輸入電壓與通道 SoftSpan 滿量程范圍的二進(jìn)制加權(quán)分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，最終得到近似的模擬輸入值，并將 16 位數(shù)字輸出代碼準(zhǔn)備好進(jìn)行串行傳輸。

3.2 傳輸函數(shù)

LTC2333 - 16 將滿量程電壓范圍數(shù)字化為 (2^{16}) 個(gè)級(jí)別。通過(guò)選擇不同的 SoftSpan 配置和參考電壓，可以實(shí)現(xiàn)不同的輸入電壓范圍、滿量程范圍、LSB 大小和轉(zhuǎn)換結(jié)果的二進(jìn)制格式。對(duì)于雙極性 SoftSpan 范圍，轉(zhuǎn)換結(jié)果以補(bǔ)碼二進(jìn)制格式輸出；對(duì)于單極性 SoftSpan 范圍，則以直二進(jìn)制格式輸出。

四、應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 直接傳感器測(cè)量

由于其寬輸入共模范圍和高 CMRR，LTC2333 - 16 能夠直接數(shù)字化各種傳感器信號(hào)，減少了信號(hào)調(diào)理電路的復(fù)雜性。例如，在工業(yè)傳感器測(cè)量中，它可以準(zhǔn)確地采集傳感器輸出的微弱信號(hào)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

4.2 可編程邏輯控制器（PLC）

在 PLC 系統(tǒng)中，需要對(duì)多個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的采集和處理。LTC2333 - 16 的 8 通道復(fù)用功能和高采樣率使其能夠滿足 PLC 對(duì)多通道信號(hào)采集的需求，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。

4.3 工業(yè)過(guò)程控制

在工業(yè)過(guò)程控制中，需要對(duì)各種物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。LTC2333 - 16 的高精度和低噪聲特性使其能夠準(zhǔn)確地采集過(guò)程變量，為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的反饋信息，確保工業(yè)過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.4 測(cè)試和測(cè)量

在測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域，對(duì) ADC 的精度和性能要求較高。LTC2333 - 16 的高分辨率、低 INL 和高 SNR 特性使其成為測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的理想選擇，能夠滿足各種復(fù)雜信號(hào)的測(cè)量需求。

五、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 輸入驅(qū)動(dòng)電路

CMOS 緩沖輸入級(jí)提供了高度的瞬態(tài)隔離，大多數(shù)阻抗小于 10kΩ 的傳感器、信號(hào)調(diào)理放大器和濾波器網(wǎng)絡(luò)可以直接驅(qū)動(dòng) 3pF 的模擬輸入電容。對(duì)于高阻抗和慢穩(wěn)定電路，可以在引腳處添加 680pF 電容以保持 LTC2333 - 16 的全直流精度。同時(shí)，為了減少通道間的串?dāng)_，PC 板布線應(yīng)盡量短且屏蔽，相鄰封裝引腳間的電容為 0.16pF，低源電阻和/或高源電容有助于減少外部電容耦合串?dāng)_。

5.2 輸入濾波

LTC2333 - 16 的高阻抗模擬輸入可以適應(yīng)各種被動(dòng)或主動(dòng)信號(hào)調(diào)理濾波器。外部輸入濾波器可以獨(dú)立于 ADC 進(jìn)行優(yōu)化，以減少信號(hào)鏈噪聲和干擾。常見的濾波器配置是簡(jiǎn)單的抗混疊和降噪 RC 濾波器，其極點(diǎn)位于采樣頻率的一半。例如，在 800ksps 采樣一個(gè)通道時(shí)，R = 590Ω，C = 680pF。

5.3 參考配置

LTC2333 - 16 支持三種參考配置：

• 內(nèi)部參考與內(nèi)部緩沖器：使用片上低噪聲、低漂移（最大 20ppm/°C）、溫度補(bǔ)償?shù)膸秴⒖?，工廠校準(zhǔn)為 2.048V。REFIN 引腳應(yīng)使用 0.1μF 陶瓷電容旁路到 GND 以過(guò)濾寬帶噪聲，REFBUF 引腳使用至少 47μF 陶瓷電容旁路到 GND 以補(bǔ)償參考緩沖器、吸收瞬態(tài)轉(zhuǎn)換電流并最小化噪聲。
• 外部參考與內(nèi)部緩沖器：如果需要更高的精度和/或更低的漂移，可以使用外部參考驅(qū)動(dòng) REFIN 引腳，有效范圍為 1.25V 至 2.2V，可實(shí)現(xiàn) 2.5V 至 4.4V 的轉(zhuǎn)換器主參考電壓。
• 外部參考與禁用內(nèi)部緩沖器：通過(guò)將 REFIN 引腳接地，可以禁用內(nèi)部緩沖器，使用 2.5V 至 5V 的外部參考電壓驅(qū)動(dòng) REFBUF 引腳。

5.4 電源考慮

LTC2333 - 16 需要四個(gè)電源：正、負(fù)高壓電源（ (V{CC}) 和 (V{EE}) ）、5V 核心電源（ (V{DD}) ）和數(shù)字輸入/輸出（I/O）接口電源（ (OV{DD}) ）。只要滿足 10V ≤ (V{CC} - V{EE}) ≤ 38V 的電壓差限制， (V{CC}) 和 (V{EE}) 可以在各自允許的范圍內(nèi)獨(dú)立偏置，包括 (V{EE}) 可以直接接地。靈活的 (OV{DD}) 電源允許 LTC2333 - 16 與 1.8V 至 5V 的 CMOS 邏輯進(jìn)行通信。

5.5 時(shí)序和控制

• CNV 時(shí)序：CNV 引腳的上升沿觸發(fā)采樣和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開始后不能提前終止，除非重置 ADC。為了獲得最佳性能，應(yīng)使用干凈、低抖動(dòng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng) CNV，并避免在 CNV 上升沿前后的數(shù)據(jù) I/O 線上發(fā)生轉(zhuǎn)換。
• 內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘：LTC2333 - 16 具有內(nèi)部時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)最大 550ns 的轉(zhuǎn)換時(shí)間，最小采集時(shí)間為 670ns，保證了 800ksps 的吞吐量，無(wú)需外部調(diào)整。
• 休眠模式：轉(zhuǎn)換完成后，可將 LTC2333 - 16 置于休眠模式以降低功耗。在該模式下，部分設(shè)備電路關(guān)閉，包括與采樣模擬輸入信號(hào)相關(guān)的電路。通過(guò)在轉(zhuǎn)換之間保持 CNV 高電平來(lái)啟用休眠模式。
• 掉電模式：當(dāng) PD 引腳置高時(shí)，LTC2333 - 16 進(jìn)入掉電模式，后續(xù)轉(zhuǎn)換請(qǐng)求將被忽略。如果在轉(zhuǎn)換過(guò)程中進(jìn)入掉電模式，設(shè)備將在轉(zhuǎn)換完成后掉電。該模式下，設(shè)備僅消耗少量調(diào)節(jié)器待機(jī)電流，典型功耗為 0.68mW。
• 復(fù)位時(shí)序：通過(guò)兩次將 PD 引腳置高且中間無(wú)轉(zhuǎn)換，可以執(zhí)行全局復(fù)位，相當(dāng)于上電復(fù)位事件。復(fù)位清除所有串行數(shù)據(jù)輸出寄存器，并恢復(fù)內(nèi)部 sequencer 的默認(rèn)狀態(tài)。

5.6 數(shù)字接口

LTC2333 - 16 具有 CMOS 和 LVDS 串行接口，可通過(guò) LVDS/CMOS 引腳選擇。在 CMOS I/O 模式下，串行數(shù)據(jù)總線由串行時(shí)鐘輸入（SCKI）、串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）、串行時(shí)鐘輸出（SCKO）和串行數(shù)據(jù)輸出（SDO）組成；在 LVDS I/O 模式下，使用差分信號(hào)對(duì)進(jìn)行通信。通信在預(yù)定義的數(shù)據(jù)事務(wù)窗口內(nèi)進(jìn)行，設(shè)備在 SDI 上接受控制字以配置下一次轉(zhuǎn)換的 SoftSpan 范圍和通道，并在 SDO 上輸出包含轉(zhuǎn)換結(jié)果和配置信息的 24 位數(shù)據(jù)包。

5.7 板布局

為了獲得 LTC2333 - 16 的最佳性能，建議使用四層印刷電路板（PCB）。布局應(yīng)盡量分離數(shù)字和模擬信號(hào)線，避免數(shù)字時(shí)鐘或信號(hào)與模擬信號(hào)并行或在 ADC 下方布線。同時(shí)，應(yīng)盡量減小 REFBUF 到 GND（Pin 20）旁路電容的返回環(huán)路長(zhǎng)度，并避免將 CNV 路由到可能干擾其上升沿的信號(hào)附近。電源旁路電容應(yīng)盡可能靠近電源引腳放置，使用單一實(shí)心接地平面以確保低噪聲操作。

六、總結(jié)

LTC2333 - 16 以其卓越的性能、靈活的配置和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為電子工程師在設(shè)計(jì)高性能 ADC 系統(tǒng)時(shí)的理想選擇。無(wú)論是在工業(yè)控制、測(cè)試測(cè)量還是傳感器測(cè)量等領(lǐng)域，它都能為我們提供準(zhǔn)確、可靠的信號(hào)采集解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇參考配置、輸入驅(qū)動(dòng)電路和電源方案，并注意板布局的優(yōu)化，以充分發(fā)揮 LTC2333 - 16 的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用 LTC2333 - 16 或其他 ADC 時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。