探索LTC2158 - 14：高性能双路14位310Msps ADC的卓越之旅

引言

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的桥梁，其性能直接影响着整个系统的表现。今天，我们将深入剖析Linear Technology公司的LTC2158 - 14，一款具有出色性能的双路14位310Msps ADC，探讨它的特性、应用以及设计要点。

文件下载：LTC2158-14.pdf

LTC2158 - 14的特性亮点

出色的动态性能

LTC2158 - 14在动态性能方面表现卓越。它拥有68.8dBFS的信噪比（SNR）和88dB的无杂散动态范围（SFDR），这意味着它能够准确地捕捉和转换高频、宽动态范围的信号，有效减少噪声和杂散信号的干扰，为系统提供清晰、准确的数字输出。

低功耗设计

在功耗方面，LTC2158 - 14表现出色，总功耗仅为724mW，采用单1.8V电源供电。这种低功耗设计不仅降低了系统的能耗，还减少了散热需求，提高了系统的稳定性和可靠性。

易于驱动的输入范围

该ADC具有1.32VP - P的输入范围，且易于驱动。其1.25GHz的全功率带宽采样保持（S/H）电路，能够在高频下实现良好的性能，支持欠采样技术，进一步扩展了其应用范围。

灵活的配置选项

LTC2158 - 14提供了丰富的配置选项。它具有可选的时钟占空比稳定器，可在宽范围的时钟占空比下保持高性能；还支持低功耗的睡眠和打盹模式，方便在不同工作场景下优化功耗。此外，通过串行SPI端口，用户可以方便地对其进行配置，实现各种功能。

兼容的封装和版本

LTC2158 - 14采用64引脚（9mm × 9mm）的QFN封装，体积小巧，适合高密度的电路板设计。同时，它还有引脚兼容的12位版本，为不同需求的用户提供了更多选择。

应用领域广泛

通信领域

在通信领域，LTC2158 - 14可用于蜂窝基站和软件定义无线电（SDR）。其高性能的动态特性能够满足通信系统对高频信号处理的要求，准确地捕捉和转换信号，提高通信质量。

医疗成像

在医疗成像领域，如CT、MRI等设备中，需要高精度的ADC来采集和处理图像信号。LTC2158 - 14的高分辨率和低噪声特性，能够为医疗成像设备提供准确的图像数据，有助于医生做出更准确的诊断。

高清视频

在高清视频领域，LTC2158 - 14可用于视频采集和处理设备，确保视频信号的高质量转换和传输，为用户带来清晰、流畅的视觉体验。

测试和测量仪器

在测试和测量仪器中，LTC2158 - 14的高精度和高速度特性，能够满足对各种信号的精确测量和分析需求，为科研和工业生产提供可靠的数据支持。

技术参数详解

转换器特性

• 分辨率：LTC2158 - 14具有14位的分辨率，且无丢失码，能够提供高精度的数字输出。
• 线性误差：其积分线性误差（INL）典型值为±1.2LSB，差分线性误差（DNL）典型值为±0.35LSB，确保了信号转换的准确性。
• 偏移误差和增益误差：偏移误差典型值为±5mV，增益误差在内部参考和外部参考下分别有不同的表现，同时还规定了偏移漂移和满量程漂移的参数，保证了系统的稳定性。
• 过渡噪声：过渡噪声为2.11LSBRMS，进一步体现了其低噪声特性。

模拟输入特性

• 输入范围和共模电压：模拟输入范围为1.32VP - P，输入共模电压由VCM引脚设置，通常为0.435 • VDD。
• 输入泄漏电流：各输入引脚的泄漏电流在规定范围内，确保了输入信号的准确性。
• 采样保持特性：采样保持采集延迟时间为1ns，采集延迟抖动为0.15psRMS，全功率带宽为1250MHz，为高频信号的采集提供了保障。

动态精度特性

在不同输入频率下，LTC2158 - 14的SNR、SFDR和信号与噪声加失真比（S/（N + D））都能保持较好的性能。例如，在15MHz输入时，SNR可达68.8dBFS，SFDR可达88dBFS。

内部参考特性

内部参考输出电压稳定，VCM输出电压和VREF输出电压都有明确的参数范围，且具有一定的温度稳定性和输出电阻，为ADC的正常工作提供了稳定的参考电压。

电源要求

模拟电源电压（VDD）和输出电源电压（OVDD）推荐为1.8V，在不同的LVDS模式下，模拟和数字电源电流以及功耗也有所不同。此外，还提供了睡眠模式和打盹模式的功耗参数，方便用户在不同场景下优化功耗。

数字输入和输出特性

• 编码输入：编码输入（ENC + 和ENC - ）具有一定的差分输入电压和共模输入电压要求，输入电阻和电容也有规定，确保了编码信号的质量。
• 数字输入：CS、SDI、SCK等数字输入引脚有明确的高低电平输入电压和输入电流范围，以及输入电容参数。
• SDO输出：SDO为开漏输出，需要外接2k上拉电阻，具有一定的逻辑低输出电阻和逻辑高输出泄漏电流，以及输出电容。
• 数字数据输出：数字数据输出为双数据速率（DDR）LVDS信号，具有不同的差分输出电压和共模输出电压，以及片上终端电阻。

时序特性

采样频率范围为10 - 310MHz，编码信号的高低时间在时钟占空比稳定器开启和关闭时有不同的要求，同时还规定了编码到数据延迟、编码到CLKOUT延迟、数据到CLKOUT偏斜等时序参数，以及流水线延迟为6个时钟周期。SPI端口也有相应的时序要求，确保数据的准确传输和配置。

典型性能特性

文档中给出了LTC2158 - 14在不同输入频率下的FFT频谱图，直观地展示了其在不同频率下的动态性能。同时，还给出了积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）的误差曲线，以及SNR、SFDR与输入电平、输入频率的关系曲线，帮助工程师更好地了解其性能特点。

引脚功能及应用信息

引脚功能

LTC2158 - 14的各个引脚都有明确的功能。VDD为模拟电源引脚，GND为电源地引脚，AINA + 和AINA - 、AINB + 和AINB - 分别为通道A和通道B的差分模拟输入引脚，SENSE为参考编程引脚，VREF为参考电压输出引脚，VCM为共模偏置输出引脚，ENC + 和ENC - 为编码输入引脚，OGND为输出驱动地引脚，OVDD为输出驱动电源引脚，SDO、SDI、SCK、CS为串行接口引脚，PAR/SER为编程模式选择引脚，还有多个LVDS输出引脚用于输出数字数据和时钟信号。

应用信息

转换器操作

LTC2158 - 14是一款双通道、14位310Msps的A/D转换器，采用单1.8V电源供电。模拟输入必须差分驱动，编码输入差分驱动可获得最佳性能，数字输出为双数据速率LVDS。通过串行SPI端口可对模式控制寄存器进行编程，选择不同的功能。

模拟输入

模拟输入为差分CMOS采样保持电路，输入应围绕VCM引脚设置的共模电压差分驱动，输入范围为VCM - 0.33V到VCM + 0.33V，且输入之间应有180°的相位差。

输入驱动电路

• 输入滤波：建议在模拟输入处设置RC低通滤波器，以隔离驱动电路和A/D采样保持开关，减少宽带噪声。
• 变压器耦合电路：在不同的输入频率范围内，可采用不同的变压器耦合电路，如在5 - 70MHz、15 - 150MHz、150 - 900MHz等频率范围，推荐使用不同的变压器和电路配置，以获得更好的平衡和更低的A/D失真。
• 放大器电路：在高频情况下，可使用高速差分放大器或RF增益块驱动模拟输入。若增益块为单端输出，则需使用变压器电路将信号转换为差分信号后再驱动A/D。

参考

LTC2158 - 14具有内部1.25V电压参考。对于1.32V输入范围，可通过连接SENSE到VDD选择内部参考，或施加1.25V外部参考电压到SENSE。

编码输入

编码输入的信号质量对A/D噪声性能有很大影响，应将其视为模拟信号，避免在电路板上与数字走线相邻。编码输入内部通过10k等效电阻偏置到1.2V，若驱动的共模电压在1.1 - 1.5V之间，可直接驱动；否则，需要使用变压器或耦合电容。输入信号的最大（峰值）电压不应超过VDD + 0.1V或低于 - 0.1V。

时钟占空比稳定器

为了获得良好的性能，编码信号的占空比应保持在50%（±5%）。若启用可选的时钟占空比稳定器电路，编码占空比可在30% - 70%之间变化，稳定器将保持内部50%的占空比。在需要快速改变采样率的应用中，可禁用时钟占空比稳定器，但需确保时钟占空比为50%（±5%）。

数字输出

数字输出为双数据速率LVDS信号，每个差分输出对复用两个数据位。默认输出为标准LVDS电平，输出电流为3.5mA，输出共模电压为1.25V，每个LVDS输出对需要外接100Ω差分终端电阻。输出由OVDD和OGND供电，与A/D核心电源和地隔离。

可编程LVDS输出电流

默认输出驱动电流为3.5mA，可通过串行编程模式控制寄存器A3调整输出电流，可选电流级别包括1.75mA、2.1mA、2.5mA、3mA、3.5mA、4mA和4.5mA。

可选LVDS驱动内部终端

在大多数情况下，仅使用外部100Ω终端电阻即可获得良好的LVDS信号完整性。此外，可通过串行编程模式控制寄存器A3启用可选的内部100Ω终端电阻，以吸收接收器处不完善终端引起的反射。启用内部终端时，输出驱动电流将加倍以保持相同的输出电压摆幅。

溢出位

溢出输出位（OF）在模拟输入超出范围时输出逻辑高电平，其流水线延迟与数据位相同。OF输出为双数据速率，CLKOUT + 为低电平时，通道A的溢出可用；CLKOUT + 为高电平时，通道B的溢出可用。

输出时钟相移

为了在锁存输出数据时提供足够的建立和保持时间，CLKOUT + 信号可能需要相对于数据输出位进行相移。大多数FPGA具有此功能，也可通过串行编程模式控制寄存器A2对ADC的CLKOUT + /CLKOUT - 信号进行相移，相移角度可为0°、45°、90°或135°。使用相移功能时，时钟占空比稳定器必须开启，还可通过控制寄存器位反转CLKOUT + 和CLKOUT - 的极性，实现45° - 315°的相移。

数据格式

默认输出数据格式为偏移二进制，可通过串行编程模式控制寄存器A4选择2's补码格式。文档中给出了模拟输入电压、数字数据输出位和溢出位之间的关系表。

数字输出随机化

为了减少A/D数字输出的干扰，可通过对数字输出进行随机化处理，将LSB与所有其他数据输出位进行异或逻辑运算。解码时，进行相反的异或操作。输出随机化通过串行编程模式控制寄存器A4启用。

交替位极性

交替位极性模式可减少电路板上的数字反馈。启用该模式时，所有奇数位（D1、D3、D5、D7、D9、D11、D13）在输出缓冲器之前被反转，偶数位（D0、D2、D4、D6、D8、D10、D12）、OF和CLKOUT不受影响。该模式独立于数字输出随机化，可通过串行编程模式控制寄存器A4启用。

数字输出测试模式

为了进行数字接口的电路内测试，LTC2158 - 14提供了多种测试模式，包括全1、全0、交替和棋盘格模式。这些模式通过串行编程模式控制寄存器A4启用，启用时将覆盖所有其他格式化模式。

输出禁用

可通过串行编程模式控制寄存器A3禁用数字输出，包括OF和CLKOUT。高阻抗禁用状态适用于长时间不活动的情况，不适用于多个转换器之间的数据总线复用。

睡眠模式

可将A/D置于睡眠模式以节省功耗，睡眠模式下整个A/D转换器断电，功耗小于5mW。若编码输入信号未禁用，功耗可能会更高。睡眠模式可通过模式控制寄存器A1（串行编程模式）或SCK（并行编程模式）启用。在串行编程模式下，还可在保持通道A正常工作的同时禁用通道B。从睡眠模式恢复所需的时间取决于VREF上的旁路电容大小。

打盹模式

在打盹模式下，A/D核心断电，内部参考电路保持活动，可实现更快的唤醒。从打盹模式恢复至少需要100个时钟周期。打盹模式通过串行编程模式下的掉电寄存器A1启用。只有在时钟保持运行的情况下，才能保证从打盹模式的唤醒时间，否则适用睡眠模式的唤醒条件。

设备编程模式

LTC2158 - 14的操作模式可通过并行接口或简单的串行接口进行编程。串行接口具有更高的灵活性，可对所有可用模式进行编程；并行接口功能相对有限，只能对一些常用模式进行编程。

并行编程模式

将PAR/SER引脚连接到VDD可启用并行编程模式。CS、SCK和SDI引脚为二进制逻辑输入，用于设置某些操作模式。这些引脚可连接到VDD或地，或由1.8V、2.5V或3.3V CMOS逻辑驱动。文档中给出了CS、SCK和SDI引脚设置的模式表。

串行编程模式

将PAR/SER引脚连接到地可启用串行编程模式。CS、SCK、SDI和SDO引脚构成串行接口，用于对A/D控制寄存器进行编程。数据通过16位串行字写入寄存器，也可从寄存器读回数据以验证其内容。串行数据传输在CS拉低时开始，SDI引脚的数据在SCK的前16个上升沿被锁存，SCK的后续上升沿将被忽略。数据传输在CS拉高时结束。16位输入字的第一位为R/W位，接下来的7位为寄存器地址（A6:A0），最后8位为寄存器数据（D7:D0）。若R/W位为低，串行数据（D7:D0）将写入由地址位（A6:A0）设置的寄存器；若R/W位为高，由地址位（A6:A0）设置的寄存器中的数据将在SDO引脚读回。SDO引脚为开漏输出，若通过SDO读回寄存器数据，需要外接2k上拉电阻；若仅进行串行数据写入且不需要读回，则SDO可悬空，无需上拉电阻。文档中还给出了模式控制寄存器的映射表。

软件复位

若使用串行编程，应在电源开启并稳定后尽快对模式控制寄存器进行编程。第一个串行命令必须是软件复位，将所有寄存器数据位复位为逻辑0。通过向寄存器A0（位D7）写入1来执行软件复位，复位完成后，位D7自动置为0。该寄存器为只写寄存器。

接地和旁路

LTC2158 - 14需要在ADC下方的第一层有一个干净、完整的接地平面的印刷电路板，推荐使用具有内部接地平面的多层板。电路板布局应确保数字和模拟信号线尽可能分离，避免数字走线与模拟信号线相邻或在ADC下方。在VDD、OVDD、VCM、VREF引脚应使用高质量的陶瓷旁路电容，旁路电容应尽可能靠近引脚，推荐使用0402尺寸的陶瓷电容。连接引脚和旁路电容的走线应短而宽。模拟输入、编码信号和数字输出不应相互相邻布线，应使用接地填充和接地过孔作为隔离屏障。

热传递

LTC2158 - 14产生的大部分热量通过底部的外露焊盘和封装引脚传递到印刷电路板上。为了获得良好的电气和热性能，外露焊盘必须焊接到电路板上的大接地焊盘上，该焊盘应通过一组过孔连接到内部接地平面。

典型应用和相关部件

文档中给出了LTC2158 - 14的典型应用电路原理图，展示了其在实际应用中的连接方式。同时，还列出了相关