解析LTC2341 - 18：一款高性能18位ADC的卓越特性與應用

在電子設計領域，模擬 - 數字轉換器（ADC）是連接現實世界模擬信號與數字系統的關鍵橋梁。今天，我們將深入探討凌力爾特（現屬亞德諾半導體）的LTC2341 - 18，一款具備諸多卓越特性的18位ADC，它在眾多應用場景中展現出了強大的性能。

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一、產品概述

LTC2341 - 18是一款18位、低噪聲、2通道同時采樣的逐次逼近寄存器（SAR）ADC，具有差分、寬共模范圍輸入。它采用5V電源供電，集成了低漂移參考和緩沖器，每個通道可獨立配置不同的輸入范圍，如±4.096V、0V至4.096V、±2.048V或0V至2.048V等。此外，該ADC還支持SPI CMOS（1.8V至5V）和LVDS串行接口，能與多種設備進行通信。

二、關鍵特性

2.1 高性能指標

• 高采樣速率：每個通道的吞吐量高達666ksps，能夠滿足高速數據采集的需求。
• 高精度轉換：保證18位無失碼，最大積分非線性（INL）為±4LSB，提供了出色的轉換精度。
• 低噪聲與低失真：典型的單轉換信噪比（SNR）為95dB，在(f_{IN}=2kHz)時總諧波失真（THD）為 - 114dB，確保了信號的高質量轉換。
• 高共模抑制比：在(f_{IN}=200Hz)時，共模抑制比（CMRR）典型值為105dB，有效抑制了共模干擾。

2.2 靈活的輸入配置

• 寬共模范圍輸入：差分輸入具有寬共模范圍，能夠直接數字化各種信號，簡化了信號鏈設計。
• 軟量程（SoftSpan）功能：每個通道可獨立配置不同的輸入范圍，包括雙極性和單極性范圍，適應不同的應用需求。

2.3 其他特性

• 集成參考和緩沖器：內部集成了4.096V的參考和緩沖器，減少了外部元件的使用。
• 低功耗設計：典型功耗為74mW，在節能應用中表現出色。
• 寬溫度范圍工作：保證在高達125°C的溫度下正常工作，適用于惡劣環境。

三、應用領域

3.1 可編程邏輯控制器（PLC）

在PLC中，LTC2341 - 18的高精度和高采樣速率能夠準確采集各種模擬信號，如溫度、壓力、流量等，為控制系統提供可靠的數據支持。

3.2 工業過程控制

工業過程控制需要對各種模擬信號進行精確測量和控制，LTC2341 - 18的寬共模范圍和高CMRR特性使其能夠適應復雜的工業環境，確保信號的準確采集和處理。

3.3 醫學成像

醫學成像對信號的精度和質量要求極高，LTC2341 - 18的低噪聲和高分辨率特性能夠滿足醫學成像設備對信號采集的嚴格要求，為醫學診斷提供清晰準確的圖像。

3.4 高速數據采集

在高速數據采集系統中，LTC2341 - 18的高采樣速率和多通道同時采樣功能能夠快速準確地采集大量數據，為數據分析和處理提供基礎。

四、工作原理

4.1 轉換過程

LTC2341 - 18的工作分為采集和轉換兩個階段。在采集階段，采樣保持（S/H）電路的采樣電容連接到模擬輸入引腳，跟蹤輸入信號。當CNV引腳出現上升沿時，S/H電路從跟蹤模式轉換到保持模式，同時對兩個通道的輸入信號進行采樣并啟動轉換。在轉換階段，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軟量程滿量程范圍的二進制加權分數進行比較，最終得到數字輸出。

4.2 傳輸函數

LTC2341 - 18將每個通道的滿量程電壓范圍數字化為(2^{18})個級別。通道的軟量程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。對于雙極性軟量程范圍，轉換結果以補碼二進制格式輸出；對于單極性軟量程范圍，轉換結果以直二進制格式輸出。

五、應用設計要點

5.1 模擬輸入

• 輸入信號特性：每個通道同時采樣模擬輸入引腳之間的電壓差，寬共模輸入范圍和高CMRR允許輸入信號在大地和(V_{DD})之間任意擺動，能夠接受多種類型的信號，如偽差分單極性、偽差分雙極性和全差分信號。
• 輸入驅動電路：為了確保采樣電容在采集間隔內能夠穩定到新的輸入引腳電壓，外部電路需要提供足夠的電流來滿足電荷流動的需求。對于低阻抗源，可以直接驅動ADC輸入；對于高阻抗源，建議使用緩沖放大器來確保采集期間的穩定和優化ADC的線性度和失真性能。
• 輸入濾波：為了減少輸入信號的噪聲和失真，建議在緩沖放大器之前使用低帶寬濾波器對輸入信號進行濾波。在緩沖器輸出端，由采樣開關導通電阻和采樣電容形成的低通RC濾波器可以限制輸入帶寬，同時減少驅動寬帶噪聲。

5.2 ADC參考

LTC2341 - 18支持三種參考配置：

• 內部參考與內部緩沖器：使用內部帶隙參考和參考緩沖器，REFIN引腳應使用0.1μF陶瓷電容旁路到地，REFBUF引腳應使用至少47μF陶瓷電容旁路到地。
• 外部參考與內部緩沖器：當需要更高的精度和更低的漂移時，可以使用外部參考源驅動REFIN引腳，有效范圍為1.25V至2.2V。
• 外部參考與禁用內部緩沖器：通過將REFIN引腳接地，可以禁用內部緩沖器，使用外部參考電壓驅動REFBUF引腳，范圍為2.5V至5V。

5.3 電源考慮

• 電源引腳：LTC2341 - 18提供5V核心電源（(V{DD})）和數字輸入/輸出（I/O）電源（(OV{DD})），(OV_{DD})的范圍允許ADC與1.8V至5V的CMOS邏輯進行通信。
• 電源排序：該ADC沒有特定的電源排序要求，但需要注意遵守絕對最大額定值中的最大電壓關系。內部的上電復位（POR）電路在電源上電或(V_{DD})低于2V時復位轉換器，在POR事件后至少等待10ms再啟動轉換，使用內部參考緩沖器時需要等待200ms讓緩沖器上電和充電。

5.4 時序和控制

• CNV時序：CNV引腳的上升沿觸發采樣和轉換，轉換開始后不能提前終止，除非復位ADC。為了獲得最佳性能，應使用干凈、低抖動的信號驅動CNV，并避免在CNV上升沿之前和之后的100ns內模擬輸入出現高斜率變化。
• 內部轉換時鐘：LTC2341 - 18具有內部時鐘，在啟用N個通道時，最大轉換時間為550 ? N – 40ns，雙通道同時轉換時最小采集時間為410ns，保證了666ksps的吞吐量。
• 電源關斷模式：當PD引腳置高時，ADC進入電源關斷模式，后續的轉換請求將被忽略。退出電源關斷模式時，需要將PD引腳置低并等待至少10ms（使用內部參考緩沖器時等待200ms）再啟動轉換。
• 復位時序：通過兩次將PD引腳置高且中間無轉換操作，可以執行全局復位，相當于上電復位事件。復位后需要等待至少10ms（使用內部參考緩沖器時等待200ms）再啟動轉換。

5.5 數字接口

• CMOS I/O模式：在CMOS I/O模式下，串行數據總線包括SCKI、SDI、SCKO、SDO0和SDO1。通信在預定義的數據事務窗口內進行，新的軟量程配置字在窗口內接受，轉換結果和通道配置信息以24位數據包的形式輸出。
• LVDS I/O模式：LVDS I/O模式使用差分信號傳輸信息，通信同樣在預定義的數據事務窗口內進行。SDO輸出的24位數據包包含轉換結果和通道配置信息，建議使用SCKO的上升和下降沿以雙倍數據速率（DDR）方式捕獲數據。

六、總結

LTC2341 - 18憑借其高性能、靈活的輸入配置、低功耗和寬溫度范圍等特性，成為了眾多應用領域的理想選擇。在設計應用時，需要注意模擬輸入、參考配置、電源考慮、時序控制和數字接口等方面的要點，以充分發揮該ADC的性能。同時，在PCB布局時應遵循相關原則，確保數字和模擬信號分離，減少干擾，提高系統的穩定性和可靠性。

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