LTC2357-18：高性能18位ADC的全面解析

在電子設計領域，模數轉換器（ADC）的性能直接影響著整個系統的精度和穩定性。LTC2357-18作為一款18位、低噪聲的4通道同時采樣逐次逼近寄存器（SAR）ADC，憑借其出色的特性和廣泛的應用場景，成為眾多工程師的首選。

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一、產品概述

LTC2357-18采用5V低電壓供電和靈活的高壓電源，通常為±15V。借助集成的低漂移參考和緩沖器（VREFBUF標稱值為4.096V），每個通道可獨立配置輸入信號范圍，支持±10.24V、0V至10.24V、±5.12V或0V至5.12V的信號輸入，使用外部5V參考時輸入信號范圍可擴展至±12.5V。此外，還可禁用個別通道以提高其余通道的吞吐量。

二、關鍵特性剖析

2.1 高精度與低噪聲

• 積分非線性（INL）：最大為±3.5LSB，確保了轉換結果的高精度。
• 無失碼：在18位分辨率下保證無失碼，提供了可靠的轉換數據。
• 信噪比（SNR）：典型值為96.4dB，有效降低了噪聲干擾，提高了信號質量。

2.2 寬輸入共模范圍與高共模抑制比

• 輸入共模范圍：VEE + 4V至VCC - 4V，能夠適應各種不同的輸入信號。
• 共模抑制比（CMRR）：典型值為128dB（fIN = 200Hz），有效抑制了共模信號的干擾。

2.3 靈活的接口選擇

支持引腳可選的SPI CMOS（1.8V至5V）和LVDS串行接口，可與傳統微控制器和現代FPGA進行良好通信。在CMOS模式下，可使用1至4個串行輸出數據通道，優化總線寬度和數據吞吐量。

2.4 低功耗設計

• 典型功耗為175mW（4通道同時以350ksps轉換時）。
• 提供可選的休眠和掉電模式，可在非活動期間進一步降低功耗。

三、工作原理與轉換過程

3.1 轉換階段

LTC2357-18的工作分為采集和轉換兩個階段。

• 采集階段：各通道的采樣保持（S/H）電路中的采樣電容連接到各自的模擬輸入緩沖器，跟蹤差分模擬輸入電壓（VIN+ - VIN-）。
• 轉換階段：CNV引腳的上升沿使所有通道的S/H電路從跟蹤模式轉換到保持模式，同時對所有通道的輸入信號進行采樣并啟動轉換。每個通道的采樣電容依次連接到18位電荷再分配電容D/A轉換器（CDAC），通過逐次逼近算法將采樣的輸入電壓與通道的SoftSpan滿量程范圍的二進制加權分數進行比較，最終得到近似的模擬輸入值。

3.2 傳輸函數

LTC2357-18將每個通道的滿量程電壓范圍數字化為2^18個級別。通道的SoftSpan配置決定了其輸入電壓范圍、滿量程范圍、LSB大小和轉換結果的二進制格式。對于雙極性SoftSpan范圍，轉換結果以補碼二進制格式輸出；對于單極性SoftSpan范圍，則以直二進制格式輸出。

四、輸入特性與應用

4.1 緩沖模擬輸入

每個通道可同時采樣其模擬輸入引腳之間的電壓差（VIN+ - VIN-），并通過高共模抑制比（CMRR）衰減兩個輸入引腳上的共模信號。寬輸入共模范圍和高CMRR使IN+/IN-模擬輸入能夠以任意關系擺動，只要每個引腳保持在（VEE + 4V）和（VCC - 4V）之間。這一特性使得LTC2357-18能夠接受各種類型的信號，簡化了信號鏈設計。

4.2 輸入驅動電路

CMOS緩沖輸入級提供了高度的瞬態隔離。大多數阻抗小于10kΩ的傳感器、信號調理放大器和濾波網絡可直接驅動3pF的模擬輸入電容。對于高阻抗和慢穩定電路，可在引腳處添加680pF電容以保持LTC2357-18的直流精度。

4.3 輸入過驅動容限

在任何通道上，將模擬輸入驅動到VCC以上最多10mA不會影響其他通道的轉換結果，但驅動到VEE以下可能會損壞其他通道的轉換結果。該產品能夠承受高達100mA的輸入電流而不會發生閂鎖。

五、參考配置與動態性能

5.1 參考配置

LTC2357-18支持三種參考配置：

• 內部參考與內部緩沖器：使用片上低噪聲、低漂移（最大20ppm/°C）、溫度補償的帶隙參考，工廠校準為2.048V。
• 外部參考與內部緩沖器：通過外部參考對REFIN引腳進行過驅動，有效隔離外部參考與ADC轉換瞬態。
• 外部參考與禁用內部緩沖器：通過接地REFIN禁用內部緩沖器，使用外部參考對REFBUF引腳進行過驅動。

5.2 動態性能

采用快速傅里葉變換（FFT）技術測試ADC的頻率響應、失真和噪聲。LTC2357-18在額定吞吐量下提供了保證的交流失真和噪聲測量限制。

• 信噪失真比（SINAD）：在±10.24V范圍內，350ksps采樣率和2kHz真雙極性輸入信號下，典型值為96.2dB。
• 信噪比（SNR）：在相同條件下，典型值為96.4dB。
• 總諧波失真（THD）：在±10.24V范圍內，350ksps采樣率和2kHz真雙極性輸入信號下，典型值為 - 110dB。

六、電源與時序控制

6.1 電源要求

LTC2357-18需要四個電源：正負高壓電源（VCC和VEE）、5V核心電源（VDD）和數字輸入/輸出（I/O）接口電源（OVDD）。只要滿足10V ≤ VCC - VEE ≤ 38V的電壓差限制，VCC和VEE可在各自允許的工作范圍內獨立偏置，包括VEE可直接接地。

6.2 時序控制

• CNV時序：CNV引腳的上升沿控制采樣和轉換，轉換開始后除非重置ADC否則不能提前終止。
• 內部轉換時鐘：內部時鐘經過校準，在N個通道啟用時最大轉換時間為550?N ns，確保了穩定的轉換性能。
• 休眠模式：轉換完成后可進入休眠模式以降低功耗，通過保持CNV高電平實現。
• 掉電模式：PD引腳置高時，LTC2357-18進入掉電模式，后續轉換請求被忽略。
• 重置時序：兩次將PD引腳置高且中間無轉換可觸發全局重置。

七、數字接口與數據傳輸

7.1 接口選擇

支持CMOS和LVDS串行接口，可通過LVDS/CMOS引腳選擇。靈活的OVDD電源使LTC2357-18能夠與1.8V至5V的CMOS邏輯進行通信。

7.2 數據傳輸

• CMOS I/O模式：串行數據總線包括SCKI、SDI、SCKO和SDO0至SDO3。在數據事務窗口內，設備接受12位SoftSpan配置字并輸出24位數據包。
• LVDS I/O模式：使用差分信號對傳輸信息，同樣在數據事務窗口內進行數據交互。

八、PCB布局與參考設計

8.1 PCB布局

為獲得最佳性能，建議使用四層印刷電路板（PCB），確保數字和模擬信號線盡可能分離，避免數字時鐘或信號與模擬信號并行或在ADC下方布線。同時，應盡量縮短REFBUF到GND的旁路電容返回回路長度，避免CNV引腳靠近可能干擾其上升沿的信號。

8.2 參考設計

可參考DC2365評估套件，獲取該轉換器的詳細參考設計，包括原理圖和PCB布局。

九、相關產品推薦

除了LTC2357-18，還有一系列相關產品可供選擇，如LTC2358-18/LTC2358-16、LTC2333-18/LTC2333-16等，這些產品在分辨率、采樣率、通道數等方面各有特點，可根據具體需求進行選擇。

LTC2357-18以其高精度、低噪聲、寬輸入范圍和靈活的接口等特性，為電子工程師在設計高性能系統時提供了可靠的選擇。在實際應用中，合理配置和使用該ADC，結合良好的PCB布局和電源管理，能夠充分發揮其性能優勢，滿足各種復雜的應用需求。你在使用LTC2357-18或類似ADC時遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。