8通道10位/12位1.25Msps采樣ADC：LTC1850/LTC1851的深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能直接影響著整個系統(tǒng)的表現(xiàn)。LTC1850和LTC1851作為兩款高性能的8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在高速數(shù)據(jù)采集、測試與測量、成像系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。下面，我們就來深入了解一下這兩款ADC的特點、性能以及應(yīng)用要點。

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一、產(chǎn)品概述

LTC1850是10位的ADC，LTC1851則是12位的ADC，它們都屬于完整的8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其內(nèi)部集成了靈活的8通道多路復(fù)用器、1.25Msps逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（帶有采樣保持功能）、內(nèi)部2.5V參考電壓及參考緩沖放大器，還有并行輸出接口。該多路復(fù)用器可配置為單端或差分輸入，具備兩個增益范圍，支持單極性或雙極性操作。

二、關(guān)鍵特性

2.1 采樣與供電特性

• 高采樣率：擁有1.25Msps的采樣率，能夠快速采集數(shù)據(jù)，滿足高速數(shù)據(jù)采集的需求。
• 低功耗：采用單5V供電，典型功耗僅40mW，在保證性能的同時，有效降低了功耗。

  2.2 功能特性

• 掃描模式與可編程序列器：具備掃描模式，可循環(huán)遍歷所有8個多路復(fù)用器通道，還能對多達(dá)16個地址和配置序列進(jìn)行編程，實現(xiàn)連續(xù)掃描，并且序列存儲器可進(jìn)行回讀。
• 真差分輸入：能夠有效抑制共模噪聲，提高信號采集的準(zhǔn)確性。
• 內(nèi)部參考電壓：內(nèi)部集成2.5V參考電壓，參考和緩沖放大器提供4.096V、2.5V和2.048V的引腳可選范圍。
• 并行輸出包含MUX地址：并行輸出包含10位或12位的轉(zhuǎn)換結(jié)果以及4位多路復(fù)用器地址，方便數(shù)據(jù)處理和識別。
• 易于與3V邏輯接口：數(shù)字輸出由單獨的電源供電，便于與3V數(shù)字邏輯進(jìn)行接口。
• 休眠和睡眠關(guān)機模式：提供Nap和Sleep關(guān)機模式，可在不使用時降低功耗。

三、性能參數(shù)

3.1 轉(zhuǎn)換器特性

• 分辨率：LTC1850為10位，LTC1851為12位，無丟失碼。
• 線性誤差：積分線性誤差和差分線性誤差較小，保證了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。
• 偏移誤差和增益誤差：在不同增益和輸入模式下，偏移誤差和增益誤差都有明確的規(guī)格，并且通道間的偏移誤差和增益誤差匹配性良好。

  3.2 模擬輸入特性

• 輸入范圍：可根據(jù)增益和單雙極性選擇不同的輸入范圍，適應(yīng)多種信號采集需求。
• 輸入電流和電容：模擬輸入泄漏電流小，輸入電容在不同轉(zhuǎn)換階段有明確的數(shù)值，有助于電路設(shè)計。
• 采樣和保持時間：采樣保持采集時間和多路復(fù)用器建立時間較短，保證了數(shù)據(jù)采集的及時性。

  3.3 動態(tài)性能

• 信噪比和失真：在不同輸入信號和增益條件下，信號 - 噪聲比、信號 - （噪聲 + 失真）比、總諧波失真和無雜散動態(tài)范圍等指標(biāo)表現(xiàn)良好，確保了信號的質(zhì)量。

  3.4 內(nèi)部參考特性

• 參考輸出電壓：REFOUT輸出電壓穩(wěn)定，溫度系數(shù)小，線路調(diào)節(jié)性能好。
• 參考緩沖增益：參考緩沖增益穩(wěn)定，REFCOMP輸出電壓準(zhǔn)確。

  3.5 數(shù)字輸入輸出特性

• 輸入電壓和電流：數(shù)字輸入電壓和電流有明確的規(guī)格，保證了數(shù)字信號的可靠傳輸。
• 輸出電壓和電流：數(shù)字輸出電壓和電流在不同負(fù)載條件下有明確的表現(xiàn)，便于與其他數(shù)字電路接口。

  3.6 電源要求

• 供電電壓：正電源電壓和輸出正電源電壓有明確的范圍要求，確保了ADC的正常工作。
• 電源電流和功耗：在不同工作模式下，電源電流和功耗有明確的數(shù)值，方便進(jìn)行功耗管理。

  3.7 時序特性

• 采樣頻率和轉(zhuǎn)換時間：最大采樣頻率和轉(zhuǎn)換時間等時序參數(shù)明確，為系統(tǒng)設(shè)計提供了準(zhǔn)確的時間參考。

四、引腳功能

LTC1850/LTC1851的引腳功能豐富且靈活，涵蓋了模擬輸入、參考電壓、數(shù)字輸出、控制信號等多個方面。例如，CH0 - CH7為模擬輸入引腳，可配置為單端或差分輸入；REFOUT為內(nèi)部2.5V參考輸出，需要旁路電容以保證穩(wěn)定性；REFIN用于選擇參考模式和作為參考緩沖輸入；REFCOMP為參考緩沖輸出，決定了滿量程輸入范圍等。每個引腳都有其特定的功能和電壓范圍要求，在設(shè)計電路時需要仔細(xì)考慮。

五、應(yīng)用信息

5.1 轉(zhuǎn)換細(xì)節(jié)

LTC1850/LTC1851的核心模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近算法和內(nèi)部采樣保持電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換為10位/12位并行輸出。轉(zhuǎn)換開始由CS和CONVST輸入控制，在轉(zhuǎn)換過程中，內(nèi)部差分10位/12位電容DAC輸出由逐次逼近寄存器（SAR）從最高有效位（MSB）到最低有效位（LSB）進(jìn)行排序，最終將轉(zhuǎn)換結(jié)果和4位地址字加載到輸出鎖存器中。

5.2 動態(tài)性能

• 信噪比：信號 - 噪聲加失真比（S/(N + D)）反映了ADC輸出中信號與其他頻率成分的比例關(guān)系，有效位數(shù)（ENOB）與S/(N + D)直接相關(guān)。LTC1850/LTC1851在最大采樣率下，能在接近和超過奈奎斯特輸入頻率時保持接近理想的ENOB。
• 總諧波失真：總諧波失真是輸入信號所有諧波的均方根和與基波本身的比值，LTC1850/LTC1851在奈奎斯特頻率及以上具有良好的失真性能。
• 互調(diào)失真：當(dāng)ADC輸入信號包含多個頻譜分量時，ADC傳輸函數(shù)的非線性會產(chǎn)生互調(diào)失真。
• 峰值諧波或雜散噪聲：指除輸入信號和直流外的最大頻譜分量，以相對于滿量程輸入信號的均方根值的分貝數(shù)表示。
• 全功率和全線性帶寬：全功率帶寬是指對于滿量程輸入信號，重構(gòu)基波幅度降低3dB時的輸入頻率；全線性帶寬是指S/(N + D)下降到特定值（LTC1851為68dB，LTC1850為56dB）時的輸入頻率。LTC1850/LTC1851經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，允許ADC對高于轉(zhuǎn)換器奈奎斯特頻率的輸入信號進(jìn)行欠采樣，且在高頻時噪聲底非常低。

  5.3 模擬輸入多路復(fù)用器

  模擬輸入多路復(fù)用器通過單端/差分引腳（DIFF）、三個MUX地址引腳（A2、A1、A0）、單極性/雙極性引腳（UNI/BIP）和增益選擇引腳（PGA）進(jìn)行控制。用戶可以根據(jù)需要將MUX配置為單端或差分輸入，并選擇不同的增益和輸入極性，以實現(xiàn)多種輸入跨度。

  5.4 驅(qū)動模擬輸入

  LTC1850/LTC1851的輸入易于驅(qū)動，可作為單端輸入或差分輸入。輸入在轉(zhuǎn)換結(jié)束時僅在給采樣保持電容充電時產(chǎn)生一個小電流尖峰，轉(zhuǎn)換期間僅吸取小泄漏電流。當(dāng)驅(qū)動電路的源阻抗較低時，可直接驅(qū)動ADC輸入；源阻抗增加時，為了最小化采集時間，應(yīng)使用緩沖放大器。

  5.5 選擇輸入放大器

  選擇輸入放大器時，需要考慮兩個關(guān)鍵因素：一是放大器在閉環(huán)帶寬頻率下的輸出阻抗應(yīng)小于100Ω，以限制給采樣電容充電時放大器看到的電壓尖峰幅度；二是閉環(huán)帶寬必須大于20MHz，以確保全吞吐量速率下的小信號建立。文中推薦了多款適合驅(qū)動LTC1850/LTC1851的運算放大器，如LT1360、LT1363等。

  5.6 輸入濾波

  為了減少輸入放大器和其他電路的噪聲和失真對ADC的影響，應(yīng)在模擬輸入之前對噪聲輸入電路進(jìn)行濾波。一個簡單的1 - 極點RC濾波器通常就足以滿足許多應(yīng)用的需求，同時應(yīng)使用高質(zhì)量的電容和電阻，以減少失真。

  5.7 參考

  LTC1850/LTC1851包含一個片上溫度補償、曲率校正的帶隙參考，工廠調(diào)整為2.500V，具有靈活的3引腳接口。REFCOMP引腳的電壓決定了輸入跨度，參考緩沖器具有1.6384的增益。通過不同的引腳連接方式，可以實現(xiàn)三種引腳可選的參考模式以及另外兩種外部參考模式。

  5.8 滿量程和偏移

  在需要高精度的應(yīng)用中，可以在校準(zhǔn)序列期間將偏移和滿量程誤差調(diào)整為零。偏移誤差應(yīng)在滿量程誤差之前進(jìn)行調(diào)整，通過調(diào)整“ - ”輸入的偏移來實現(xiàn)零偏移；滿量程誤差可以通過調(diào)整適當(dāng)?shù)膮⒖茧妷簛碚{(diào)整為零。

  5.9 輸出數(shù)據(jù)格式

  LTC1850/LTC1851具有14位/16位并行輸出，輸出字通常由10位/12位轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)字和4位地址組成。數(shù)據(jù)格式根據(jù)UNI/BIP輸入引腳自動選擇，單極性輸入時為直二進(jìn)制格式，雙極性輸入時為二進(jìn)制補碼格式。

  5.10 電路板布局和旁路

  為了獲得LTC1850/LTC1851的最佳性能，需要使用帶有接地平面的印刷電路板。布局時應(yīng)確保數(shù)字和模擬信號線盡可能分離，防止數(shù)字噪聲耦合到模擬輸入、參考或模擬電源線上。旁路電容應(yīng)連接到模擬接地平面，以提供低阻抗路徑。

  5.11 電源旁路

  應(yīng)使用高質(zhì)量、低串聯(lián)電阻的陶瓷10μF旁路電容，將其盡可能靠近引腳放置，連接引腳和旁路電容的走線應(yīng)盡量短且寬。

  5.12 數(shù)字接口

• 內(nèi)部時鐘：A/D轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部時鐘，無需外部時鐘與CS和RD信號同步，內(nèi)部時鐘經(jīng)過工廠調(diào)整，典型轉(zhuǎn)換時間為550ns，最大轉(zhuǎn)換時間為650ns，保證了最大采集時間為150ns，吞吐量時間為800ns，最小采樣率為1.25Msps。
• 電源關(guān)機：提供Nap和Sleep兩種電源關(guān)機模式，Nap模式下功耗降至5mW，喚醒時間為200ns；Sleep模式下所有偏置電流關(guān)閉，僅保留泄漏電流約50μA，喚醒時間取決于連接到REFCOMP的電容值，使用推薦的10μF電容時喚醒時間為10ms。
• 時序和控制：轉(zhuǎn)換開始和數(shù)據(jù)讀取操作由CONVST、CS和RD三個數(shù)字輸入控制，BUSY輸出指示轉(zhuǎn)換器狀態(tài)。不同的操作模式（如模式1a、1b、2、慢內(nèi)存模式和ROM模式）具有不同的時序和控制方式。

  5.13 操作模式

• 直接地址模式：當(dāng)M1和M0引腳都為低電平時選擇該模式，地址輸入引腳直接控制MUX，配置輸入引腳直接控制輸入跨度，WR引腳用于使能地址和配置輸入引腳。
• 掃描模式：當(dāng)M1為低電平、M0為高電平時選擇該模式，轉(zhuǎn)換器可以順序且重復(fù)地掃描所有輸入通道，無需用戶提供地址，DIFF引腳選擇掃描模式。
• 程序/回讀模式：通過將M1模式引腳置高，M0模式引腳置低來訪問序列器，可對最多16個位置的MUX地址和輸入配置進(jìn)行編程和回讀。
• 序列運行模式：序列器編程完成后，將M0置高，下一個下降沿的CONVST將開始使用序列器內(nèi)存中存儲的MUX地址和輸入配置進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，序列器指針將前進(jìn)一位。

六、典型應(yīng)用

文檔中給出了一個典型應(yīng)用示例，使用兩個IDT7202LA15 1k x 9位FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖，可快速收集1024個樣本，并方便與低功耗、低速的8位微控制器接口。在設(shè)計類似應(yīng)用時，我們可以參考這個示例，根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整。

七、相關(guān)產(chǎn)品

文檔還列出了一些相關(guān)產(chǎn)品，如LTC1410、LTC1415等，這些產(chǎn)品在分辨率、采樣率、功耗等方面各有特點，工程師可以根據(jù)實際需求進(jìn)行選擇。

總之，LTC1850/LTC1851是兩款功能強大、性能優(yōu)越的ADC，在高速數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在實際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體需求，合理選擇和配置這些ADC，以實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。