LTC2421/LTC2422：20位微功耗無延遲?Σ ADC的卓越之選

在電子設計領域，高精度、低功耗的模擬 - 數字轉換器（ADC）一直是工程師們追求的目標。LTC2421/LTC2422作為Linear Technology Corporation推出的1/2通道20位微功耗無延遲?Σ ADC，以其出色的性能和豐富的功能，為眾多應用場景提供了理想的解決方案。

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一、器件概述

LTC2421/LTC2422工作在2.7V至5.5V的單電源下，采用MSOP - 10的超小封裝，集成了振蕩器，具有8ppm的積分非線性（INL）和1.2ppm的RMS噪聲。其獨特的數字濾波器架構能夠在單個轉換周期內完成穩定，消除了傳統?Σ轉換器中的延遲問題，大大簡化了多路復用應用。

1. 關鍵特性

• 高精度轉換：20位的分辨率，無丟失碼，確保了高精度的模擬信號轉換。
• 低功耗設計：低至200μA的供電電流，且支持自動關機功能，有效降低了系統功耗。
• 靈活的配置：通過單個引腳可配置為在50Hz或60Hz ±2%時實現優于110dB的抑制，也可由外部振蕩器驅動，實現1Hz至120Hz的用戶自定義抑制頻率。
• 寬輸入范圍：輸入轉換范圍為 - 12.5% VREF至112.5% VREF（VREF = FSSET - ZSSET），能夠有效解決傳感器或信號調理電路的偏移和過范圍問題。
• 兼容接口：通過2線或3線數字接口與SPI和MICROWIRE協議兼容，便于與其他設備進行通信。

二、引腳功能

1. 電源與參考引腳

• VCC（引腳1）：正電源電壓，需使用10μF鉭電容與0.1μF陶瓷電容并聯旁路到GND引腳，以確保電源的穩定。
• FSSET（引腳2）：滿量程設置輸入，定義了滿量程輸入值，當VIN = FSSET時，ADC輸出滿量程（FFFFFH）。
• ZSSET（引腳5）：零量程設置輸入，定義了零量程輸入值，當VIN = ZSSET時，ADC輸出零量程（00000H）。
• GND（引腳6）：接地引腳，為模擬地、數字地、參考地和信號地共享，應通過最短的走線直接連接到接地平面，或作為單點接地系統中的單點接地。

2. 模擬輸入引腳

• CH0、CH1（引腳4、3）：模擬輸入通道，輸入電壓范圍為 - 0.125 ? VREF至1.125 ? VREF。對于LTC2422，轉換在CH0和CH1之間交替進行；而LTC2421的引腳4為NC（無連接）。

3. 數字控制引腳

• CS（引腳7）：低電平有效數字輸入，拉低該引腳可使能SDO數字輸出并喚醒ADC。轉換完成后，若CS為高電平，ADC自動進入睡眠狀態。
• SDO（引腳8）：三態數字輸出，在數據輸出期間用于串行數據輸出；當CS為高電平時，SDO處于高阻抗狀態。在轉換和睡眠期間，可作為轉換狀態輸出。
• SCK（引腳9）：雙向數字時鐘引腳，在內部串行時鐘操作模式下作為數字輸出，在外部串行時鐘操作模式下作為數字輸入。
• FO（引腳10）：頻率控制引腳，控制ADC的陷波頻率和轉換時間。連接到VCC時，數字濾波器的第一個零點位于50Hz；連接到GND時，第一個零點位于60Hz；由外部時鐘信號驅動時，數字濾波器的第一個零點位于fEOSC/2560。

三、工作模式與應用

1. 轉換操作周期

LTC2421/LTC2422的操作周期包括轉換、睡眠和數據輸出三個狀態。轉換完成后，若CS為高電平，設備進入睡眠狀態以降低功耗。當CS拉低且SCK上升沿到來時，設備開始輸出轉換結果，數據在SCK的下降沿更新，允許用戶在SCK的上升沿可靠地鎖存數據。

2. 頻率抑制選擇

通過FO引腳的連接，可選擇50Hz或60Hz的抑制，也可使用外部轉換時鐘實現自定義的頻率抑制。在睡眠或數據輸出狀態下改變選擇不會干擾轉換器的操作；若在轉換狀態下改變選擇，當前轉換結果可能超出規格，但后續轉換不受影響。

3. 串行接口模式

• 外部串行時鐘，單周期操作：使用外部串行時鐘移出轉換結果，通過CS信號監控和控制轉換周期的狀態。
• 外部串行時鐘，2線I/O：利用2線串行I/O接口，CS可永久接地，簡化用戶接口。
• 內部串行時鐘，單周期操作：使用內部串行時鐘移出轉換結果，通過CS信號監控和控制轉換周期的狀態。
• 內部串行時鐘，2線I/O，連續轉換：使用2線全輸出接口，CS可永久接地，實現連續轉換。
• 內部串行時鐘，自動啟動轉換：在上述模式基礎上，通過外部定時電容連接到CS，實現自動啟動轉換，適用于需要定期監測和超低功耗的應用。

4. 典型應用

• 稱重秤：高精度的轉換和低噪聲特性，能夠準確測量重量信號。
• 直接溫度測量：可直接數字化溫度傳感器的輸出，實現精確的溫度測量。
• 氣體分析儀：對氣體傳感器輸出的微弱信號進行高精度轉換，提高分析的準確性。
• 應變計傳感器：消除寄生電阻帶來的誤差，準確測量應變計的輸出信號。
• 儀器儀表和數據采集：為各種儀器儀表和數據采集系統提供高精度的模擬 - 數字轉換。
• 工業過程控制：實時監測和控制工業過程中的各種參數。

四、設計要點

1. 接地與電源

為了保證LTC2421/LTC2422的精度，應盡量減小輸入和參考信號串聯的接地路徑阻抗，降低通過該路徑的電流。GND引腳應通過最短的走線連接到低電阻接地平面，推薦使用多個過孔以進一步降低連接電阻。同時，在轉換狀態下應盡量減少數字信號的轉換次數，以降低電源電流。

2. 數字信號電平

數字輸入信號應驅動到全CMOS電平（VIL < 0.4V和VOH > (VCC - 0.4V)），以避免CMOS輸入接收器在0.5V至(VCC - 0.5V)范圍內額外吸取電源電流。對于快速數字輸入信號，應注意避免因阻抗不匹配導致的過沖和下沖問題，可通過在驅動器或轉換器引腳附近放置27Ω至56Ω的串聯電阻來解決。

3. 輸入和參考驅動

LTC2421/LTC2422的模擬輸入和參考信號應用于開關電容網絡，會產生動態輸入電流。為了實現1ppm的精度，VIN和VREF的等效時間常數應小于460ns。對于不同的輸入電容和參考電容，應根據具體情況選擇合適的外部源電阻，以減少偏移和滿量程誤差。

五、總結

LTC2421/LTC2422以其高精度、低功耗、無延遲和靈活的配置等優點，為電子工程師在各種應用場景中提供了可靠的解決方案。在實際設計中，需要充分考慮接地、電源、數字信號電平和輸入參考驅動等因素，以確保器件的性能得到充分發揮。你在使用LTC2421/LTC2422的過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。