LTC2368-18：高性能18位SAR ADC的深度解析

在电子工程师的日常工作中，选择合适的模数转换器（ADC）对于实现系统的高性能至关重要。今天，我们就来深入探讨一下Linear Technology公司的LTC2368-18这款18位逐次逼近寄存器（SAR）ADC。

文件下载：LTC2368-18.pdf

一、产品概述

LTC2368-18是一款低噪声、低功耗、高速的18位SAR ADC。它采用2.5V单电源供电，支持0V至 (V{REF}) 的伪差分单极性输入范围，其中 (V{REF}) 范围为2.5V至5.1V，非常适合需要宽动态范围的高性能应用。该ADC能够实现±2.5LSB的最大积分非线性（INL），18位无漏码，信噪比（SNR）可达97dB。

1. 关键特性

• 高吞吐量：具有1Msps的吞吐量，且无周期延迟，适用于各种高速应用。
• 低功耗：在1Msps采样率下功耗仅为13.5mW，在1ksps采样率下功耗为13.5µW。
• 宽输入范围：伪差分单极性输入范围为0V至 (V{REF}) ， (V{REF}) 范围为2.5V至5.1V。
• 高速SPI接口：支持1.8V、2.5V、3.3V和5V逻辑，还具备菊花链模式。
• 内部振荡器：内部振荡器设置转换时间，简化了外部时序设计。
• 自动掉电功能：转换之间自动掉电，降低功耗，且功耗随采样率降低而降低。

二、电气特性

1. 模拟输入特性

• 输入范围： (V{IN+}) 的绝对输入范围为 -0.1V至 (V{REF}) +0.1V， (V{IN-}) 的绝对输入范围为 -0.1V至0.1V，输入差分电压范围为0V至 (V{REF}) 。
• 输入电容：采样模式下为45pF，保持模式下为5pF。
• 输入共模抑制比（CMRR）：在 (f_{IN}=500kHz) 时，典型值为80dB。

2. 转换器特性

• 分辨率：18位，无漏码。
• 线性误差：INL最大为±2.5LSB，DNL最大为±0.5LSB。
• 零刻度误差和满刻度误差：零刻度误差范围为 -11LSB至11LSB，满刻度误差范围为 -50LSB至50LSB。

3. 动态精度

• SINAD：在 (f{IN}=2kHz) ， (V{REF}=5V) 时，典型值为97dB。
• SNR：在 (f{IN}=2kHz) ， (V{REF}=5V) 时，典型值为97dB。
• THD：在 (f{IN}=2kHz) ， (V{REF}=5V) 时，典型值为 -120dB。
• SFDR：在 (f{IN}=2kHz) ， (V{REF}=5V) 时，典型值为120dB。

4. 时序特性

• 最大采样频率：1Msps。
• 转换时间：典型值为460ns，最大值为527ns。
• 采集时间：典型值为460ns。
• 转换间隔时间：1µs。

5. 电源要求

• VDD：电源电压范围为2.375V至2.625V。
• OVDD：I/O接口数字电源电压范围为1.71V至5.25V。
• 功耗：在1Msps采样率下功耗为13.5mW，转换完成时功耗为2.25mW（ (V_{REF}>2V) ）。

三、引脚功能

LTC2368-18采用16引脚封装，各引脚功能如下：

• CHAIN（引脚1）：菊花链模式选择引脚。低电平时，ADC工作在正常模式；高电平时，工作在菊花链模式。
• VDD（引脚2）：2.5V电源，需用10µF陶瓷电容旁路到地。
• GND（引脚3、6、10和16）：接地引脚。
• IN+（引脚4）：模拟输入，与IN-构成差分输入，输入范围为0V至 (V_{REF}) 。
• IN-（引脚5）：模拟地感应，输入范围为±100mV，需连接到地平面或远程地感应。
• REF（引脚7、8）：参考输入，范围为2.5V至5.1V，需用47µF陶瓷电容（X5R，0805尺寸）靠近引脚去耦。
• CNV（引脚9）：转换输入，上升沿启动转换并为ADC上电。
• BUSY（引脚11）：忙指示，转换开始时为高电平，转换完成后为低电平。
• RDL/SDI（引脚12）：正常模式下为总线使能输入，菊花链模式下为串行数据输入。
• SCK（引脚13）：串行数据时钟输入，SDO使能时，转换结果或菊花链数据在该时钟上升沿输出。
• SDO（引脚14）：串行数据输出，转换结果或菊花链数据在SCK上升沿输出，数据为直二进制格式。
• OVDD（引脚15）：I/O接口数字电源，范围为1.71V至5.25V，需用0.1µF电容旁路到地。
• GND（外露焊盘引脚17，仅DFN封装）：接地，外露焊盘需直接焊接到地平面。

四、工作原理

1. 转换操作

LTC2368-18的工作分为两个阶段：采集阶段和转换阶段。

• 采集阶段：电荷再分配电容数模转换器（CDAC）连接到IN+和IN-引脚，采样伪差分模拟输入电压。
• 转换阶段：CNV引脚的上升沿启动转换，18位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CDAC输出近似采样的模拟输入。ADC控制逻辑准备18位数字输出代码用于串行传输。

2. 传输函数

LTC2368-18将REF的满量程电压数字化为 (2^{18}) 个电平，当 (REF = 5V) 时，LSB大小为19µV。输出数据为直二进制格式。

五、应用信息

1. 输入驱动电路

• 低阻抗源：可直接驱动LTC2368-18的高阻抗输入，无增益误差。
• 高阻抗源：需使用缓冲放大器，以减少采集时的建立时间，优化ADC的失真性能。缓冲放大器可提供低输出阻抗，在采集阶段使模拟信号快速建立，并隔离信号源和ADC输入的电流尖峰。
• 输入滤波：需考虑缓冲放大器和信号源的噪声和失真，可使用简单的1极RC低通滤波器（LPF1）对噪声输入信号进行滤波。在缓冲器和ADC输入之间使用LPF2，以减少缓冲器的噪声贡献，并减少采样瞬变对缓冲器的干扰。

2. 伪差分单极性输入

推荐使用低功耗的LT6202 ADC驱动器来驱动LTC2368-18。LT6202噪声密度低，可将各种幅度的信号转换为LTC2368-18的0V至5V输入范围。通过将LT6202配置为单位增益缓冲器，可实现LTC2368-18的数据手册THD规格 -120dB。

3. ADC参考

LTC2368-18需要外部参考来定义输入范围，推荐使用低噪声、低温漂的参考源，如LTC6655-5。LTC6655-5初始精度高，温度系数低，适用于高精度应用，且在H级温度范围内完全规格化，可与LTC2368-18的扩展温度操作互补。

4. 动态性能

使用快速傅里叶变换（FFT）技术测试ADC的频率响应、失真和噪声。LTC2368-18在额定吞吐量下提供AC失真和噪声测量的保证测试极限。

• SINAD：在1MHz采样率和2kHz输入下，典型值为97.1dB。
• SNR：在1MHz采样率和2kHz输入下，典型值为97.2dB。
• THD：在1MHz采样率和2kHz输入下，典型值为 -120dB。

5. 功耗考虑

LTC2368-18提供2.5V电源（VDD）和数字输入/输出接口电源（OVDD）。OVDD电源灵活，可与1.8V至5V的数字逻辑通信。ADC具有自动掉电功能，转换完成后自动掉电，新转换开始时上电，可降低功耗。

6. 时序和控制

• CNV时序：CNV上升沿启动转换并为ADC上电，转换完成前不能重启。BUSY输出指示转换状态，为确保数字化结果无误差，CNV的额外转换应在转换开始后40ns内或转换完成后进行。
• 内部转换时钟：LTC2368-18具有内部时钟，最大转换时间为527ns，最小采集时间为460ns，保证1Msps的吞吐量，无需外部调整。
• 自动掉电：转换完成后自动掉电，新转换开始时上电。为降低掉电期间的功耗，可禁用SDO并关闭SCK。

7. 数字接口

LTC2368-18具有串行数字接口，OVDD电源灵活，可与1.8V至5V的数字逻辑通信。串行输出数据在SCK引脚施加外部时钟且SDO使能时，在SDO引脚输出。转换后输出数据可获得最佳性能，移位时钟频率至少为100MHz时，仍可实现1Msps的吞吐量。

8. 时序图

• 正常模式，单设备：CHAIN = 0时，RDL/SDI控制SDO的使能。RDL/SDI为低电平时，SDO使能，新转换数据的MSB在BUSY下降沿可用。
• 正常模式，多设备：多个LTC2368-18设备共享CNV、SCK和SDO，RDL/SDI输入用于选择每次驱动SDO的ADC，避免总线冲突。
• 菊花链模式，多设备：CHAIN = (OV_{DD}) 时，SDO始终使能，RDL/SDI作为串行数据输入（SDI），用于输入另一个ADC的菊花链数据。

六、电路板布局

为获得LTC2368-18的最佳性能，建议使用印刷电路板（PCB）。布局时应尽量分离数字和模拟信号线，避免数字时钟或信号与模拟信号并行或在ADC下方布线。推荐使用单一实心接地平面，旁路电容应尽量靠近电源引脚，模拟输入走线应接地屏蔽。

七、典型应用

LTC2368-18适用于多种应用场景，如医疗成像、高速数据采集、便携式或紧凑型仪器、工业过程控制、低功耗电池供电仪器和自动测试设备（ATE）等。

八、相关部件

Linear Technology还提供了一系列相关部件，包括其他ADC、DAC、参考源和放大器等，可根据具体应用需求进行选择。

综上所述，LTC2368-18是一款性能优异的18位SAR ADC，具有低噪声、低功耗、高速等特点，适用于多种高性能应用。在设计过程中，工程师需要根据具体需求合理选择输入驱动电路、参考源等，并注意电路板布局，以充分发挥其性能优势。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。