LTC2358-18：高性能18位ADC的深度解析

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个关键环节，而ADC（模拟 - 数字转换器）的性能直接影响着整个系统的精度和稳定性。今天，我们就来深入探讨一款高性能的18位ADC——LTC2358 - 18。

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一、产品概述

LTC2358 - 18是一款18位、低噪声、8通道同时采样的逐次逼近寄存器（SAR）ADC，具有缓冲差分、宽共模范围皮安输入的特点。它采用5V低压电源和灵活的高压电源供电，通常为±15V。借助集成的低漂移参考和缓冲器（VREFBUF标称值为4.096V），每个通道都能在每次转换的基础上独立配置，以接受±10.24V、0V至10.24V、±5.12V或0V至5.12V的信号。此外，还可以使用外部5V参考将输入信号范围扩展到±12.5V。同时，用户可以禁用个别通道，以提高其余通道的吞吐量。

二、产品特性

2.1 高精度与低噪声

LTC2358 - 18具有±3.5LSB的积分非线性（INL），在18位分辨率下无漏码，信噪比（SNR）可达96.4dB，这些特性使其在需要宽动态范围的高压应用中表现出色。

2.2 宽共模范围与高CMRR

集成的皮安输入模拟缓冲器、宽输入共模范围以及128dB的共模抑制比（CMRR），使得该ADC能够使用最小的电路板空间和功率直接数字化各种信号。

2.3 灵活的接口

支持引脚可选的SPI CMOS（1.8V至5V）和LVDS串行接口，能够与传统微控制器和现代FPGA进行良好的通信。在CMOS模式下，应用程序可以使用1至8个串行输出数据线，方便用户优化总线宽度和数据吞吐量。

2.4 低功耗设计

在以每个通道200ksps的速率同时转换八个通道时，典型功耗为219mW。此外，还提供可选的休眠和掉电模式，可在非活动期间进一步降低功耗。

三、工作原理

3.1 转换操作

LTC2358 - 18的工作分为两个阶段：采集阶段和转换阶段。在采集阶段，每个通道的采样保持（S/H）电路中的采样电容连接到各自的模拟输入缓冲器，跟踪差分模拟输入电压（VIN+ - VIN -）。当CNV引脚出现上升沿时，所有通道的S/H电路从跟踪模式转换到保持模式，同时对所有通道的输入信号进行采样并启动转换。在转换阶段，每个通道的采样电容一次连接一个到18位电荷再分配电容D/A转换器（CDAC）。CDAC通过逐次逼近算法进行排序，使用差分比较器将采样的输入电压与通道SoftSpan满量程范围的二进制加权分数（例如，VFSR/2、VFSR/4 … VFSR/262144）进行比较。最终，CDAC输出近似于通道采样的模拟输入。完成所有通道的转换后，ADC控制逻辑准备好每个通道的18位数字输出代码，以便进行串行传输。

3.2 传输函数

LTC2358 - 18将每个通道的满量程电压范围数字化为2^18个级别。结合ADC主参考电压VREFBUF，通道的SoftSpan配置决定了其输入电压范围、满量程范围、LSB大小以及转换结果的二进制格式。对于双极性SoftSpan范围，转换结果以二进制补码格式输出；对于单极性SoftSpan范围，则以直二进制格式输出。

四、应用信息

4.1 缓冲模拟输入

每个通道的LTC2358 - 18在宽共模输入范围内同时采样其模拟输入引脚之间的电压差（VIN+ - VIN -），并通过ADC的共模抑制比（CMRR）衰减两个输入引脚上的不需要的共模信号。宽共模输入范围和高CMRR使得IN +/IN - 模拟输入能够以任意关系摆动，只要每个引脚保持在（VEE + 4V）和（VCC - 4V）之间。这种特性使得LTC2358 - 18能够接受各种信号摆动，简化了信号链设计。

4.2 输入驱动电路

CMOS缓冲输入级提供了高度的瞬态隔离。大多数阻抗小于10kΩ的传感器、信号调理放大器和滤波器网络可以直接驱动3pF的模拟输入电容。对于更高阻抗和慢稳定电路，可以在引脚处添加680pF电容以保持LTC2358 - 18的完整直流精度。此外，LTC2358 - 18的高输入阻抗大大降低了输入驱动要求，使得可以使用具有kΩ阻抗和任意慢时间常数的可选RC滤波器进行抗混叠或其他目的。

4.3 输入过驱动容限

在任何通道上将模拟输入驱动到VCC以上高达10mA不会影响其他通道的转换结果。大约70%的过驱动电流将从VCC引脚流出，其余30%将从VEE流出。需要注意的是，将输入驱动到VCC以上或VEE以下可能会使外部电源的正常电流流向反转。

4.4 ADC参考

LTC2358 - 18支持三种参考配置：内部参考与内部缓冲器、外部参考与内部缓冲器、外部参考且禁用内部缓冲器。不同的参考配置适用于不同的应用场景，用户可以根据具体需求进行选择。

五、动态性能

5.1 信号 - 噪声和失真比（SINAD）

SINAD是指输入信号基频的RMS幅度与A/D输出中所有其他频率分量的RMS幅度之比。LTC2358 - 18在±10.24V范围内，以200kHz采样率和2kHz真双极性输入信号时，典型SINAD可达96.2dB。

5.2 信噪比（SNR）

SNR是指输入信号基频的RMS幅度与除前五个谐波和直流之外的所有其他频率分量的RMS幅度之比。在相同条件下，LTC2358 - 18的典型SNR可达96.4dB。

5.3 总谐波失真（THD）

THD是指输入信号所有谐波的RMS和与基波本身的比值。LTC2358 - 18在±10.24V范围内，以200kHz采样率和2kHz真双极性输入信号时，典型THD可达 - 111dB。

六、电源考虑

6.1 电源要求

LTC2358 - 18需要四个电源：正负高压电源（VCC和VEE）、5V核心电源（VDD）和数字输入/输出（I/O）接口电源（OVDD）。只要满足10V ≤ VCC - VEE ≤ 38V的电压差限制，VCC和VEE可以在各自允许的操作范围内独立偏置，甚至VEE可以直接接地。灵活的OVDD电源使得LTC2358 - 18能够与1.8V至5V的CMOS逻辑进行通信。

6.2 电源排序

LTC2358 - 18没有特定的电源排序要求，但需要注意遵守绝对最大额定值部分中描述的最大电压关系。该器件具有内部上电复位（POR）电路，在初始上电和VDD降至2V以下时会复位转换器。在POR事件后至少10ms内不应启动转换，以确保初始化期结束。使用内部参考缓冲器时，需要200ms让缓冲器上电并对REFBUF旁路电容进行充电。

七、时序和控制

7.1 CNV时序

LTC2358 - 18的采样和转换由CNV控制。CNV引脚的上升沿将所有通道的S/H电路从跟踪模式转换到保持模式，同时对所有通道的输入信号进行采样并启动转换。一旦转换开始，除非重置ADC，否则不能提前终止。为了获得最佳性能，应使用干净、低抖动的信号驱动CNV，并避免在CNV上升沿之前的数据I/O线上发生转换。此外，为了最小化通道间串扰，应避免在CNV上升沿前后100ns内模拟输入出现高转换率。

7.2 内部转换时钟

LTC2358 - 18具有内部时钟，经过调整后，在启用N个通道时最大转换时间为550•N ns。在同时转换八个通道时，最小采集时间为570ns，可确保200ksps的吞吐量性能，无需任何外部调整。

7.3 休眠模式

在完成一次转换后，LTC2358 - 18可以进入休眠模式以降低转换之间的功耗。在该模式下，部分设备电路将关闭，包括与采样模拟输入信号相关的电路。通过在转换之间保持CNV高电平来启用休眠模式。要在进入休眠模式后启动新的转换，需要将CNV拉低并保持至少750ns，然后再将其拉高。

7.4 掉电模式

当PD引脚拉高时，LTC2358 - 18进入掉电模式，后续的转换请求将被忽略。如果在转换过程中发生这种情况，设备将在转换完成后掉电。在该模式下，设备仅消耗少量的调节器待机电流，典型功耗为0.68mW。要退出掉电模式，需要将PD引脚拉低，并在启动转换前等待至少10ms。使用内部参考缓冲器时，需要200ms让缓冲器上电并对REFBUF旁路电容进行充电。

7.5 复位时序

可以通过在没有中间转换的情况下将PD引脚拉高两次来执行LTC2358 - 18的全局复位，相当于上电复位事件。该功能在从需要将整个系统状态重置为已知同步值的系统级事件中恢复时非常有用。复位事件在PD的第二个上升沿触发，并根据内部定时器异步结束。复位会清除所有串行数据输出寄存器，并将所有通道的内部SoftSpan配置寄存器恢复到SoftSpan 7的默认状态。如果在转换过程中触发复位，转换将立即停止。

八、数字接口

8.1 串行CMOS I/O模式

在CMOS I/O模式下，串行数据总线由串行时钟输入（SCKI）、串行数据输入（SDI）、串行时钟输出（SCKO）和八个串行数据输出（SDO0至SDO7）组成。通信在预定义的数据事务窗口内进行。在窗口内，设备在SDI上接受下一次转换的24位SoftSpan配置字，并在SDO0至SDO7上输出包含上一次转换结果和通道配置信息的24位数据包。新的数据事务窗口在LTC2358 - 18上电或复位后10ms以及每次转换结束时的BUSY下降沿打开。建议在推荐的数据事务窗口内完成数据事务，并在下次转换开始前留出至少20ns的安静时间。

8.2 串行LVDS I/O模式

在LVDS I/O模式下，信息通过正负信号对（LVDS +/LVDS -）传输，位以差分方式编码为（LVDS + - LVDS -）。逻辑1和0分别由差分+350mV和 - 350mV表示。通信同样在预定义的数据事务窗口内进行，设备在SDI上接受24位SoftSpan配置字，并在SDO上输出24位数据包。建议使用SCKO的上升和下降沿来捕获SDO上的DDR串行输出数据，以提高对电源和温度变化的延迟变化的鲁棒性。

九、电路板布局

为了获得LTC2358 - 18的最佳性能，建议使用四层印刷电路板（PCB）。布局时应尽量将数字和模拟信号线分开，避免将任何数字时钟或信号与模拟信号并行运行或在ADC下方布线。同时，应尽量减小REFBUF到GND（Pin 20）旁路电容的返回环路长度，并避免将CNV路由到可能干扰其上升沿的信号附近。电源旁路电容应尽可能靠近电源引脚放置，低阻抗的公共返回路径对于ADC的低噪声运行至关重要，建议使用单个实心接地平面。

十、总结

LTC2358 - 18是一款功能强大、性能出色的18位ADC，具有高精度、低噪声、宽共模范围、灵活的接口和低功耗等优点。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和场景，合理选择参考配置、电源供应、时序控制和数字接口等参数，并注意电路板布局的优化，以充分发挥其性能优势。同时，我们也可以参考相关的评估套件和参考设计，如DC2365，来加快开发进程。大家在使用LTC2358 - 18的过程中，有没有遇到过什么问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。