高性能12位5Msps采樣ADC——LTC1405的全方位解析

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，我們要深入探討一款高性能的12位5Msps采樣ADC——LTC1405，它在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中都有著出色的表現(xiàn)。

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一、LTC1405概述

LTC1405是一款5Msps、12位的采樣A/D轉(zhuǎn)換器，具有低功耗、高動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。它可以使用單5V或雙±5V電源供電，僅消耗115mW的功率。該器件集成了高動(dòng)態(tài)范圍的采樣保持器、精密參考和PGA輸入電路，為用戶提供了一個(gè)完整的解決方案。

（一）關(guān)鍵特性

1. 高采樣率：5Msps的采樣速率，能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集的需求。
2. 低功耗：僅115mW的功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用。
3. 靈活的電源選擇：支持單5V或雙±5V電源，方便與不同的系統(tǒng)進(jìn)行接口。
4. 出色的AC性能：在奈奎斯特輸入頻率2.5MHz時(shí)，具有71.3dB的S/(N + D)和85dB的SFDR。
5. 寬輸入范圍：支持±2.048V、±1.024V和±0.512V的雙極性輸入范圍。
6. 真差分輸入：具有75dB的共模抑制比（CMRR），可以有效消除地環(huán)路和共模噪聲。

二、電氣特性

（一）分辨率和線性度

LTC1405的分辨率為12位，無(wú)失碼現(xiàn)象。其積分非線性誤差（INL）最大為±1LSB，差分非線性誤差（DNL）最大為±1LSB，在溫度范圍內(nèi)能夠保持較好的線性度。

（二）輸入特性

1. 輸入范圍：通過(guò)VREF和GAIN引腳可以靈活設(shè)置輸入范圍，具體如下：
   • 當(dāng)VREF = 4.096V，GAIN = 5V時(shí)，輸入范圍為±2.048V。
   • 當(dāng)VREF = 4.096V，GAIN = 0V時(shí)，輸入范圍為±1.024V。
   • 當(dāng)VREF = 2.048V，GAIN = 5V時(shí)，輸入范圍為±1.024V。
   • 當(dāng)VREF = 2.048V，GAIN = 0V時(shí)，輸入范圍為±0.512V。
2. 輸入泄漏電流和電容：模擬輸入泄漏電流最大為±10μA，在轉(zhuǎn)換期間輸入電容為6pF，轉(zhuǎn)換間隔期間為12pF。

（三）動(dòng)態(tài)性能

1. 信號(hào)噪聲比和失真：在2.5MHz輸入信號(hào)時(shí)，S/(N + D)為71.3dB；在1MHz輸入信號(hào)時(shí)，S/(N + D)為71.6dB。總諧波失真（THD）在2.5MHz輸入信號(hào)時(shí)為 - 87dB，在1MHz輸入信號(hào)時(shí)為 - 83dB。
2. 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）：在1MHz輸入信號(hào)時(shí)，SFDR為 - 79.5dB；在2.5MHz輸入信號(hào)時(shí)，SFDR為 - 85dB。

（四）內(nèi)部參考特性

1. VCM輸出：輸出電壓典型值為2.500V，溫度系數(shù)最大為±15ppm/°C，線路調(diào)整率在4.75V ≤ VDD ≤ 5.25V時(shí)為0.6mV/V，在 - 5.25V ≤ VSS ≤ - 4.75V時(shí)為0.03mV/V。
2. VREF輸出：根據(jù)SENSE引腳的連接方式，VREF可以設(shè)置為4.096V、2.048V或由外部驅(qū)動(dòng)，溫度系數(shù)最大為±15ppm/°C。

（五）數(shù)字輸入輸出特性

1. 輸入電壓：時(shí)鐘引腳的高電平輸入電壓在VDD = 5.25V，VSS = 0V時(shí)為2.4V，在VDD = 5.25V，VSS = - 5V時(shí)為3.5V；低電平輸入電壓在VDD = 4.75V，VSS = 0V時(shí)為0.8V，在VDD = 4.75V，VSS = - 5V時(shí)為1V。
2. 輸出電壓和電流：高電平輸出電壓在不同的負(fù)載電流和電源電壓下有不同的值，低電平輸出電壓在不同的負(fù)載電流和電源電壓下也有不同的值，輸出源電流最大為50mA，輸出灌電流最大為35mA。

（六）電源要求

1. 電源電壓：正電源電壓VDD推薦范圍為4.75V - 5.25V，負(fù)電源電壓VSS在雙電源模式下為 - 5.25V - - 4.75V，在單電源模式下為0V。
2. 電源電流和功耗：正電源電流典型值為23mA，負(fù)電源電流典型值為0.8mA，功耗典型值為115mW。

（七）時(shí)序特性

1. 采樣頻率：采樣頻率范圍為0.02 - 5MHz。
2. 轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間典型值為180ns，采樣保持采集時(shí)間典型值為50ns。
3. 時(shí)鐘信號(hào)：時(shí)鐘高時(shí)間和低時(shí)間典型值均為20 - 100ns，采樣保持孔徑延遲時(shí)間為 - 250ps。

三、引腳功能

LTC1405采用28引腳窄SSOP封裝，各引腳功能如下：

1. +AIN（引腳1）：正模擬輸入。
2. -AIN（引腳2）：負(fù)模擬輸入。
3. VCM（引腳3）：2.5V參考輸出，可作為單電源操作的輸入共模電壓，需用1μF - 10μF陶瓷電容旁路到地。
4. SENSE（引腳4）：參考編程引腳，接地選擇VREF = 4.096V，短接到VREF選擇2.048V，連接到VDD可由外部參考驅(qū)動(dòng)VREF。
5. VREF（引腳5）：DAC參考，需用1μF - 10μF陶瓷電容旁路到地。
6. GND（引腳6）：DAC參考地。
7. VDD（引腳7）：模擬5V電源，需用1μF - 10μF陶瓷電容旁路到地。
8. GND（引腳8）：模擬電源地。
9. D11 - D0（引腳9 - 20）：數(shù)據(jù)輸出，輸出格式為二進(jìn)制補(bǔ)碼。
10. OGND（引腳21）：輸出邏輯地，需連接到GND。
11. OVDD（引腳22）：輸出邏輯正電源，可連接到引腳23實(shí)現(xiàn)5V邏輯，若不短接，需用1μF陶瓷電容旁路到地。
12. VDD（引腳23）：模擬5V電源，需用1μF陶瓷電容旁路到地。
13. GND（引腳24）：模擬電源地。
14. VSS（引腳25）：負(fù)電源，可為 - 5V或0V，若不短接到GND，需用1μF陶瓷電容旁路到地。
15. CLK（引腳26）：轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)，上升沿觸發(fā)轉(zhuǎn)換。
16. OF（引腳27）：溢出輸出，當(dāng)數(shù)字輸出為011111111111或100000000000時(shí)為高電平。
17. GAIN（引腳28）：輸入PGA增益選擇，5V選擇輸入增益為1，0V選擇增益為2。

四、應(yīng)用信息

（一）轉(zhuǎn)換細(xì)節(jié)

LTC1405的轉(zhuǎn)換由CLK引腳的上升沿觸發(fā)。差分模擬輸入同時(shí)采樣并傳遞到流水線A/D轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過(guò)兩個(gè)額外的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)（加上150ns的轉(zhuǎn)換時(shí)間）后，數(shù)字輸出更新為轉(zhuǎn)換結(jié)果，并在第三個(gè)上升時(shí)鐘沿準(zhǔn)備好捕獲。因此，盡管每次CLK變高時(shí)都會(huì)開(kāi)始新的轉(zhuǎn)換，但每個(gè)結(jié)果需要三個(gè)時(shí)鐘周期才能到達(dá)輸出。為了獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，器件的時(shí)鐘頻率應(yīng)高于20kHz。如果器件在1ms內(nèi)沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)，內(nèi)部定時(shí)器將刷新動(dòng)態(tài)邏輯，因此可以長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉時(shí)鐘以節(jié)省功率。

（二）電源供應(yīng)

LTC1405可以使用單5V或雙±5V電源供電，方便與單電源或雙電源系統(tǒng)的模擬輸入接口。數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器有自己的電源引腳（OVDD），可以設(shè)置為3V - 5V，允許直接連接到3V或5V數(shù)字系統(tǒng)。單電源操作時(shí)，VSS應(yīng)連接到模擬地；雙電源操作時(shí)，VSS應(yīng)連接到 - 5V。兩個(gè)VDD引腳都應(yīng)連接到干凈的5V模擬電源。

（三）模擬輸入范圍

LTC1405具有靈活的模擬輸入，輸入范圍總是差分的，由VREF和GAIN引腳的電壓設(shè)置。A/D核心的輸入范圍固定為±VREF / 2，參考電壓VREF可以由片上電壓參考設(shè)置或由外部電壓直接驅(qū)動(dòng)。GAIN引腳是一個(gè)數(shù)字輸入，控制采樣保持電路中前置放大器的增益，可以設(shè)置為1x或2x。

（四）內(nèi)部參考

LTC1405的參考電路采用片上溫度補(bǔ)償帶隙參考（VCM），工廠調(diào)整為2.500V。VREF引腳的電壓設(shè)置ADC的輸入跨度為±VREF / 2。內(nèi)部電壓分壓器將VCM轉(zhuǎn)換為2.048V，連接到參考放大器。參考編程引腳SENSE控制參考放大器如何驅(qū)動(dòng)VREF引腳。

（五）驅(qū)動(dòng)模擬輸入

LTC1405的差分輸入易于驅(qū)動(dòng)，可以差分驅(qū)動(dòng)或單端驅(qū)動(dòng)。輸入在轉(zhuǎn)換期間為高阻抗，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)會(huì)有一個(gè)小的電流尖峰。為了獲得更好的動(dòng)態(tài)性能，雙電源模式下模擬輸入應(yīng)接地，單電源模式下輸入應(yīng)居中于2.5V。如果需要，可以通過(guò)變壓器差分驅(qū)動(dòng)模擬輸入。

（六）輸入耦合

1. 直流耦合：在大多數(shù)應(yīng)用中，模擬輸入信號(hào)可以直接耦合到LTC1405的輸入。如果輸入信號(hào)以地為中心，如使用雙電源運(yùn)算放大器時(shí)，將 - AIN連接到地，VSS連接到 - 5V；在單電源系統(tǒng)中，輸入信號(hào)以2.5V為中心時(shí)，將 - AIN連接到VCM，VSS連接到地。
2. 交流耦合：模擬輸入也可以通過(guò)電容進(jìn)行交流耦合，但在大多數(shù)情況下，直接耦合到ADC更簡(jiǎn)單。交流耦合時(shí)，為了保持偏移精度，+AIN和 - AIN到地的直流電阻應(yīng)大致匹配。

（七）差分操作

使用中心抽頭RF變壓器差分驅(qū)動(dòng)輸入可以提高LTC1405的THD和SFDR性能。盡管信號(hào)不能再進(jìn)行直流耦合，但動(dòng)態(tài)性能的改善使其在某些應(yīng)用中具有吸引力。

（八）選擇輸入放大器

選擇輸入放大器時(shí)，需要考慮兩個(gè)要求：一是放大器在閉環(huán)帶寬頻率下的輸出阻抗應(yīng)小于100Ω，以限制采樣電容充電時(shí)放大器看到的電壓尖峰；二是閉環(huán)帶寬應(yīng)大于50MHz，以確保在全吞吐量速率下有足夠的小信號(hào)建立時(shí)間。

（九）輸入濾波

為了最小化噪聲，應(yīng)在模擬輸入之前對(duì)有噪聲的輸入電路進(jìn)行濾波。一個(gè)簡(jiǎn)單的1 - 極RC濾波器對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)就足夠了。

（十）數(shù)字輸出和溢出位

LTC1405的輸出數(shù)據(jù)為二進(jìn)制補(bǔ)碼，對(duì)于所有輸入范圍和單雙電源操作都適用。溢出位（OF）指示模擬輸入是否超出轉(zhuǎn)換器的輸入范圍。

（十一）滿量程和偏移調(diào)整

在需要絕對(duì)精度的應(yīng)用中，可以將偏移和滿量程誤差調(diào)整為零。偏移誤差應(yīng)在滿量程誤差之前調(diào)整。

（十二）數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器

LTC1405的輸出驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)設(shè)置OVDD連接到3V - 5V的邏輯電源。為了防止數(shù)字噪聲影響性能，應(yīng)盡量減小數(shù)字輸出的負(fù)載電容。

（十三）時(shí)序

轉(zhuǎn)換開(kāi)始由CLK引腳的上升沿控制，一旦開(kāi)始轉(zhuǎn)換，直到轉(zhuǎn)換周期完成才能停止或重新啟動(dòng)。輸出數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)更新，大約在轉(zhuǎn)換開(kāi)始后150ns。由于有兩個(gè)周期的流水線延遲，給定轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換開(kāi)始后兩個(gè)完整的時(shí)鐘周期加上150ns輸出。

（十四）時(shí)鐘輸入

LTC1405僅使用CLK引腳的上升沿進(jìn)行內(nèi)部計(jì)時(shí)，CLK不一定需要50%的占空比。為了獲得最佳的AC性能，CLK的上升時(shí)間應(yīng)小于5ns。

（十五）電路板布局

為了獲得LTC1405的最佳性能，需要使用帶有接地平面的印刷電路板。布局應(yīng)確保數(shù)字和模擬信號(hào)線盡可能分開(kāi)，避免數(shù)字走線與模擬信號(hào)線并行。

（十六）電源旁路

在VDD引腳、VCM和VREF處應(yīng)使用高質(zhì)量、低串聯(lián)電阻的1μF陶瓷電容進(jìn)行旁路。如果VSS連接到 - 5V，也應(yīng)使用1μF電容旁路到地。

五、典型應(yīng)用

（一）單電源5Msps 12位ADC，3V邏輯輸出

該應(yīng)用使用單5V電源，輸入范圍為2.5V ± 1.024V，輸出為3V邏輯電平。

（二）雙電源5Msps 12位ADC，71.3dB SINAD

該應(yīng)用使用雙±5V電源，輸入范圍為±2.048V，具有71.3dB的SINAD。

（三）單3.3V電源5Msps 12位ADC

該應(yīng)用使用單3.3V電源，輸入范圍為2.048VP - P，通過(guò)升壓調(diào)節(jié)器提供電源。

六、相關(guān)部件

文檔還列出了一些相關(guān)的部件，如LT1019精密帶隙參考、LTC1402串行12位2.2Msps ADC等，這些部件可以與LTC1405配合使用，滿足不同的應(yīng)用需求。

LTC1405是一款功能強(qiáng)大、性能出色的12位5Msps采樣ADC，在高速數(shù)據(jù)采集、電信、數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電源、輸入范圍、輸入放大器等，同時(shí)注意電路板布局和電源旁路等問(wèn)題，以充分發(fā)揮LTC1405的性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。