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

引言

在電子設計領域，模擬 - 數字轉換器（ADC）是連接模擬世界和數字世界的關鍵橋梁。今天，我們要詳細探討 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。它在眾多應用場景中表現出色，下面讓我們深入了解它的特性、電氣參數、應用信息等方面。

文件下載：LTC2372-18.pdf

特性亮點

高性能指標

• 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，能夠滿足高速數據采集的需求。
• 多通道與輸入范圍選擇：8 通道多路復用器，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 SNR 可達 100dB，THD 為 - 110dB，INL 最大為 ±2.75LSB，保證了高精度的信號轉換。

功能特性

• 可編程序列器：可存儲多達 16 個 7 位控制字，能實現靈活的通道配置和輸入范圍選擇。
• 數字增益壓縮：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。
• 低功耗設計：典型功耗僅 27mW，還具備自動休眠和睡眠模式，可根據采樣率動態調整功耗。

電氣特性

輸入特性

• 輸入范圍：CH0 - CH7 的絕對輸入范圍為 - 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。

轉換特性

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

動態特性

• SINAD、SNR 和 THD：在不同輸入頻率和參考電壓下，這些動態指標表現優異，如全差分輸入時，1kHz 輸入頻率下 SINAD 典型值為 99.8dB，SNR 為 100dB，THD 為 - 114dB。
• 其他動態參數：通道間串擾低至 - 107dB，- 3dB 輸入線性帶寬為 22MHz，孔徑延遲為 500ps，孔徑抖動為 4ps RMS。

參考特性

• 內部參考：內部參考輸出電壓為 2.048V，溫度系數最大為 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為 13kΩ。

數字接口特性

• 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。

時序特性

• 采樣頻率與轉換時間：最大采樣頻率為 500ksps，轉換時間為 1 - 1.5μs。
• 其他時序參數：如采集時間、保持時間、CNV 高時間等都有明確規定，確保了系統的穩定運行。

應用信息

工作原理

LTC2372 - 18 工作分為采集和轉換兩個階段。采集階段，電荷再分配電容 D/A 轉換器（CDAC）通過多路復用器連接到選定的模擬輸入引腳；轉換階段，18 位 CDAC 通過逐次逼近算法，將采樣輸入與參考電壓的二進制加權分數進行比較，最終得到數字輸出。

模擬輸入

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

參考配置

• 內部參考與緩沖：內部參考和參考緩沖配合使用，可提供穩定的參考電壓。
• 外部參考：可通過外部參考對內部參考或參考緩沖進行過驅動，以滿足更高的精度和低漂移需求。

動態性能

通過快速傅里葉變換（FFT）技術測試 ADC 的頻率響應、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字系統通信。
• 電源排序：無特定電源排序要求，但要注意最大電壓關系，上電復位（POR）電路可確保系統初始化。

時序與控制

• CNV 時序：CNV 上升沿啟動轉換，轉換過程中 BUSY 輸出指示狀態，轉換完成后 ADC 自動掉電。
• 自動休眠與睡眠模式：自動休眠模式可根據采樣頻率降低功耗，睡眠模式可進一步降低功耗至 300μW。

數字接口

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

時序圖

詳細的時序圖展示了不同工作模式下的信號時序關系，包括 MUX 復位時序、單設備和多設備的工作時序、睡眠模式和復位時序等，為系統設計提供了重要參考。

板級布局

為獲得最佳性能，PCB 布局應將數字和模擬信號線盡可能分開，旁路電容應靠近電源引腳，模擬輸入走線應進行接地屏蔽。

典型應用電路

驅動 MUX 模擬輸入

推薦使用 LT6237 ADC 驅動器，配置為兩個單位增益緩沖器，可實現全差分或偽差分信號源的驅動，滿足 ADC 的 SNR 和 THD 規格要求。

單端轉差分轉換

使用 LT6350 ADC 驅動器將單端輸入信號轉換為全差分信號，可提高 SNR，實現全差分輸入范圍的性能。

多單端輸入應用

在 MUXOUT + / - 和 ADCIN + / - 之間使用 LT6237 進行單端到差分轉換，可在不犧牲 MUX 輸入的情況下實現全差分范圍的 SNR 優勢。

單電源操作

啟用數字增益壓縮功能，使用 LTC6362 差分驅動器，可實現單 5V 電源供電，降低系統功耗。

相關產品

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

總結

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、工業過程控制、高速數據采集等領域具有廣泛的應用前景。電子工程師在設計過程中，可根據具體需求合理選擇輸入范圍、參考配置和驅動電路，充分發揮該 ADC 的性能優勢。同時，注意 PCB 布局和時序控制等方面的細節，以確保系統的穩定性和可靠性。你在實際應用中是否遇到過類似 ADC 的配置和使用問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。