LTC2310 - 14：高性能14位ADC的深度解析

在电子设计领域，模数转换器（ADC）扮演着至关重要的角色，它是连接模拟世界和数字世界的桥梁。今天我们要深入探讨的是Linear Technology公司的LTC2310 - 14，一款具有卓越性能的14位 + 符号逐次逼近寄存器（SAR）ADC。

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一、产品概述

LTC2310 - 14是一款低噪声、高速的14位 + 符号SAR ADC，具备差分输入和宽输入共模范围的特性。它可以在单3.3V或5V电源下工作，拥有8 (V_{P - P}) 的差分输入范围，这使得它非常适合那些需要宽动态范围和高共模抑制比的应用场景。

1.1 主要特性

• 高速处理能力：具备2Msps的吞吐量速率，且无周期延迟，能够快速处理数据，满足高速应用的需求。
• 高精度：保证±2.5LSB的积分非线性（INL），14位无漏码，在 (f_{IN } = 500 kHz) 时，典型信噪比（SNR）可达82dB，总谐波失真（THD）低至 - 93dB。
• 宽工作温度范围：可在 - 40°C至125°C的温度范围内保证正常工作，适应各种恶劣环境。
• 灵活的电源和参考电压：支持单3.3V或5V电源，内部具有低漂移（20ppm/°C最大）的2.048V或4.096V温度补偿参考，并提供1.25V外部参考输入。
• 多样的接口：I/O电压范围为1.8V至2.5V，支持CMOS或LVDS SPI兼容的串行I/O，方便与不同的数字系统进行连接。
• 低功耗：在 (V_{DD} = 5V) 时，典型功耗仅为35mW，还提供小憩（Nap）和睡眠（Sleep）模式，进一步降低功耗。
• 小封装：采用16引脚（4mm × 5mm）的MSOP封装，节省电路板空间。

1.2 应用领域

LTC2310 - 14的高性能使其在多个领域都有广泛的应用，包括高速数据采集系统、通信、远程数据采集、成像、光网络、汽车以及多相电机控制等。

二、技术参数详解

2.1 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。LTC2310 - 14的主要绝对最大额定值如下：

• 电源电压 (V{DD}) 最大为6V， (OV{DD}) 最大为3V。
• 模拟输入电压AIN + 、AIN - 范围为 - 0.3V至（ (V_{DD} + 0.3V) ），REFIN、REFOUT同样如此。
• 数字输入和输出电压范围为（GND - 0.3V）至（ (OV_{DD} + 0.3V) ）。
• 功耗最大为200mW。
• 不同温度等级的工作温度范围有所不同，LTC2310C为0°C至70°C，LTC2310I为 - 40°C至85°C，LTC2310H为 - 40°C至125°C，存储温度范围为 - 65°C至150°C。

2.2 电气特性

2.2.1 输入特性

• 绝对输入范围AIN + 和AIN - 为0至 (V_{DD}) 。
• 输入差分电压范围为 - REFOUT至REFOUT。
• 共模输入范围为0至 (V_{DD}) 。
• 模拟输入直流泄漏电流最大为±1µA，输入电容为10pF，输入共模抑制比（CMRR）在 (f_{IN} = 2.2MHz) 时为85dB。

2.2.2 转换器特性

• 分辨率为14位，保证14位无漏码。
• 过渡噪声为0.5 (LSB_{RMS}) 。
• 积分线性误差（INL）为 - 2.5至2.5LSB，差分线性误差（DNL）为 - 0.99至0.99LSB。
• 双极性零刻度误差（BZE）为 - 5至5LSB，双极性零刻度误差漂移为0.01LSB/°C。
• 双极性满刻度误差（FSE）在 (V_{REFOUT} = 4.096V) （REFIN接地）时为 - 10至10LSB，双极性满刻度误差漂移为15ppm/°C。

2.2.3 动态精度

• 信号 - 噪声和失真比（SINAD）在 (f{IN} = 500kHz) ， (V{REFOUT} = 4.096V) （内部参考）时典型值为81.7dB，在 (V_{REFOUT} = 5V) （外部参考）时为82dB。
• 信噪比（SNR）在 (f{IN} = 500kHz) ， (V{REFOUT} = 4.096V) （内部参考）时典型值为82dB。
• 总谐波失真（THD）在 (f{IN} = 500kHz) ， (V{REFOUT} = 5V) （外部参考）时为 - 93dB。
• 无杂散动态范围（SFDR）在 (f{IN} = 500kHz) ， (V{REFOUT} = 4.096V) （内部参考）时典型值为97dB。
• • 3dB输入带宽为100MHz，孔径延迟为500ps，孔径抖动为1 (ps_{RMS}) ，瞬态响应全量程阶跃为3ns。

2.2.4 内部参考特性

• REFOUT输出电压在5V电源时为4.082至4.110V，3.3V电源时为2.042至2.054V。
• REFOUT温度系数最大为20ppm/°C，短路电流在 (V_{DD} = 5.25V) 时为30mA。
• REFOUT线路调节在 (V{DD} = 4.75V) 至5.25V时为0.3mV/V，负载调节在 (I{REFOUT} < 2mA) 时为0.5mV/mA。
• REFIN输出电压在3.13V < (V{DD}) < 3.47V和4.75V < (V{DD}) < 5.25V时均为1.245至1.255V。

2.2.5 数字输入和输出特性

• CMOS数字输入和输出：高电平输入电压 (V{IH}) 为0.8 • (OV{DD}) ，低电平输入电压 (V{IL}) 为0.2 • (OV{DD}) ，输入电流 (I{IN}) 为 - 10至10μA，输入电容 (C{IN}) 为5pF，高电平输出电压 (V{OH}) 为 (OV{DD} - 0.2) ，低电平输出电压 (V{OL}) 为0.2V，高阻输出泄漏电流 (I{OZ}) 为 - 10至10µA，输出源电流 (I{SOURCE}) 最大为 - 10mA，输出灌电流 (I{SINK}) 最大为10mA。
• LVDS数字输入和输出：差分输入电压 (V{ID}) 为240至600mV，共模输入电压 (V{IS}) 为1至1.45V，差分输出电压 (V{OD}) 为100至300mV，共模输出电压 (V{OS}) 为0.85至1.4V，低功耗LVDS差分输出电压 (V{OD_LP}) 为50至200mV，低功耗LVDS共模输出电压 (V{OS_LP}) 为0.9至1.4V。

2.2.6 电源要求

• 电源电压 (V{DD}) 在5V工作时为4.75至5.25V，3.3V工作时为3.13至3.47V， (OV{DD}) 范围为1.71至2.63V。
• 2Msps采样率时， (I{VDD}) 典型值为6.8mA，小憩模式电流 (I{NAP}) 典型值为2.8mA，睡眠模式电流 (I{SLEEP}) 在 (V{DD} = 3.3V) 时典型值为0.1μA。
• 不同I/O模式下的功耗也有所不同，CMOS I/O模式在 (V{DD} = 3.3V) 、2Msps采样率时功耗典型值为25mW，LVDS I/O模式在 (V{DD} = 5V) 、2Msps采样率时功耗典型值为40mW。

2.2.7 ADC定时特性

• 最大采样频率 (f_{SMPL}) 为2Msps。
• 转换之间的时间 (t{CYC}) 最小为500ns，采集时间 (t{ACQ}) 最小为280ns，转换时间 (t{CONV}) 最小为220ns，读出时间 (t{READOUT}) 最小为250ns。
• CNV高时间 (t{CNVH}) 最小为30ns，SCK周期 (t{SCK}) 最小为15.6ns，SCK高时间 (t{SCKH}) 和低时间 (t{SCKL}) 最小均为5ns。

三、工作原理与应用

3.1 转换器操作

LTC2310 - 14的工作分为采集和转换两个阶段。在采集阶段，采样电容连接到模拟输入引脚AIN + 和AIN - ，对差分模拟输入电压进行采样。当CNV引脚出现下降沿时，转换阶段开始，15位电容数模转换器（CDAC）通过逐次逼近算法，将采样输入与参考电压的二进制加权分数进行比较，最终得到近似的数字输出代码。

3.2 传输函数

LTC2310 - 14将2 × REFOUT的满量程电压数字化为 (2^{15}) 个等级，输出数据采用2的补码格式。

3.3 模拟输入

该ADC的差分输入具有很大的灵活性，可以直接处理各种模拟信号，无需额外配置。它支持宽共模输入范围，能够处理单端信号、伪差分单极性/双极性信号以及全差分信号。

• 单端信号处理：单端信号可以通过伪差分方式输入，将参考信号连接到另一个AIN引脚，利用ADC的高共模抑制比（CMRR）来抑制共模噪声。
• 伪差分双极性输入范围：将一个模拟输入固定在 (V_{REF}/2) ，另一个输入施加信号，ADC输出双极性2的补码代码，跨度为满量程的一半。
• 伪差分单极性输入范围：将一个模拟输入接地，另一个输入施加信号，ADC输出单极性2的补码代码，跨度同样为满量程的一半。
• 单端到差分转换：当需要更高的动态范围时，可以使用单端到差分转换电路，如LT1819高速双运算放大器，以提高信噪比（SNR）。
• 全差分输入：为了获得最佳的失真性能，推荐使用LT1819放大器作为两个单位增益缓冲器，驱动全差分信号，可实现 - 90dB的THD规格。

3.4 输入驱动电路

为了确保ADC的性能，输入信号源的阻抗应尽量低。对于高阻抗源，需要使用缓冲放大器来减少采集期间的建立时间，并优化ADC的失真性能。缓冲放大器还可以提供信号源和ADC输入之间的隔离，减少采集期间的电流尖峰影响。

3.5 输入滤波

为了减少噪声和失真，应在缓冲放大器输入之前对输入信号进行滤波。简单的1 - 极点RC低通滤波器通常就可以满足大多数应用的需求。同时，应选择低噪声密度的缓冲放大器，并使用高质量的电容和电阻，以减少对SNR的影响。

3.6 ADC参考

3.6.1 内部参考

LTC2310 - 14内部具有低噪声、低漂移（20ppm/°C最大）的温度补偿带隙参考，REFIN引脚输出1.25V，REFOUT引脚输出4.096V（5V电源）或2.048V（3.3V电源）。REFOUT和REFIN引脚都需要使用10μF的陶瓷电容进行旁路。

3.6.2 外部参考

可以使用外部参考来驱动REFOUT引脚，此时需要将REFIN引脚接地以禁用内部参考缓冲器。推荐使用LTC6655 - 5参考，以获得更高的SNR。

3.7 动态性能

通过快速傅里叶变换（FFT）技术可以测试ADC的频率响应、失真和噪声。LTC2310 - 14在额定吞吐量下提供了保证的AC失真和噪声测量极限。

• 信号 - 噪声和失真比（SINAD）：在2MHz采样率、500kHz输入时，典型值为81.7dB。
• 信噪比（SNR）：在2MHz采样率、500kHz输入时，典型值为82dB。
• 总谐波失真（THD）：在2MHz采样率、500kHz输入时，典型值为 - 93dB。

3.8 电源考虑

LTC2310 - 14需要两个电源：5V电源 (V{DD}) 和数字输入/输出接口电源 (OV{DD}) 。 (OV{DD}) 的灵活性使得它可以与1.8V至2.5V的数字逻辑进行通信。在使用LVDS I/O时， (OV{DD}) 必须设置为2.5V。电源没有特定的排序要求，但需要注意绝对最大额定值。此外，ADC具有上电复位（POR）电路，在电源电压低于2V时会复位，重新进入正常范围后需要等待10ms才能开始转换。

3.9 定时和控制

3.9.1 CNV定时

CNV引脚控制ADC的转换过程，下降沿触发转换。为了获得最佳性能，CNV应使用低抖动信号驱动。在2Msps转换速率下，CNV信号的最小脉冲宽度为30ns。

3.9.2 SCK串行数据时钟输入

SCK的下降沿将转换结果以MSB优先的方式输出到SDO引脚。为了实现2Msps的吞吐量，需要在SCK引脚施加64MHz的外部时钟。

3.9.3 小憩/睡眠模式

LTC2310 - 14提供小憩和睡眠模式以节省功耗。进入小憩模式需要将SCK信号保持高或低，并施加两个CNV脉冲；进入睡眠模式需要在小憩模式下再施加两个脉冲。退出睡眠模式需要根据不同的I/O模式进行相应的操作，CMOS模式下一个SCK上升沿即可，LVDS模式下需要第五个CNV脉冲。

3.10 数字接口

LTC2310 - 14具有简单易用的串行数字接口，通过CMOS/LVDS引脚可以选择数字接口模式。在CMOS模式下，使用 (SDO+) 作为串行数据输出， (SCK+) 作为串行时钟输入；在LVDS模式下，使用 (SDO+) 和 (SDO-) 作为差分输出， (SCK+) 和 (SCK-) 作为差分输入，并且需要在接收器端使用100Ω的差分终端电阻。

3.11 电路板布局

为了获得最佳性能，建议使用四层印刷电路板，并将数字和模拟信号线尽可能分开。特别要注意避免数字时钟或信号与模拟信号相邻或在ADC下方布线。同时，应使用单个实心接地平面，并将旁路电容尽可能靠近电源引脚放置，以确保低噪声操作。

四、相关产品

Linear Technology还提供了一系列与LTC2310 - 14相关的产品，包括不同分辨率和采样率的ADC、DAC、参考电压源和放大器等，这些产品可以与LTC2310 - 14配合使用，满足不同的应用需求。

五、总结

LTC2310 - 14是一款性能卓越的14位ADC，具有高速、高精度、低功耗、宽工作温度范围等优点，适用于多种高速数据采集和处理应用。在设计过程中，需要根据具体的应用需求合理选择电源