8通道10位/12位1.25Msps采样ADC：LTC1850/LTC1851的深度解析

在电子设计领域，数据采集系统的性能直接影响着整个系统的表现。LTC1850和LTC1851作为两款高性能的8通道数据采集系统，在高速数据采集、测试与测量、成像系统等众多领域有着广泛的应用。下面，我们就来深入了解一下这两款ADC的特点、性能以及应用要点。

文件下载：LTC1850.pdf

一、产品概述

LTC1850是10位的ADC，LTC1851则是12位的ADC，它们都属于完整的8通道数据采集系统。其内部集成了灵活的8通道多路复用器、1.25Msps逐次逼近型模数转换器（带有采样保持功能）、内部2.5V参考电压及参考缓冲放大器，还有并行输出接口。该多路复用器可配置为单端或差分输入，具备两个增益范围，支持单极性或双极性操作。

二、关键特性

2.1 采样与供电特性

• 高采样率：拥有1.25Msps的采样率，能够快速采集数据，满足高速数据采集的需求。
• 低功耗：采用单5V供电，典型功耗仅40mW，在保证性能的同时，有效降低了功耗。

  2.2 功能特性

• 扫描模式与可编程序列器：具备扫描模式，可循环遍历所有8个多路复用器通道，还能对多达16个地址和配置序列进行编程，实现连续扫描，并且序列存储器可进行回读。
• 真差分输入：能够有效抑制共模噪声，提高信号采集的准确性。
• 内部参考电压：内部集成2.5V参考电压，参考和缓冲放大器提供4.096V、2.5V和2.048V的引脚可选范围。
• 并行输出包含MUX地址：并行输出包含10位或12位的转换结果以及4位多路复用器地址，方便数据处理和识别。
• 易于与3V逻辑接口：数字输出由单独的电源供电，便于与3V数字逻辑进行接口。
• 休眠和睡眠关机模式：提供Nap和Sleep关机模式，可在不使用时降低功耗。

三、性能参数

3.1 转换器特性

• 分辨率：LTC1850为10位，LTC1851为12位，无丢失码。
• 线性误差：积分线性误差和差分线性误差较小，保证了转换的准确性。
• 偏移误差和增益误差：在不同增益和输入模式下，偏移误差和增益误差都有明确的规格，并且通道间的偏移误差和增益误差匹配性良好。

  3.2 模拟输入特性

• 输入范围：可根据增益和单双极性选择不同的输入范围，适应多种信号采集需求。
• 输入电流和电容：模拟输入泄漏电流小，输入电容在不同转换阶段有明确的数值，有助于电路设计。
• 采样和保持时间：采样保持采集时间和多路复用器建立时间较短，保证了数据采集的及时性。

  3.3 动态性能

• 信噪比和失真：在不同输入信号和增益条件下，信号 - 噪声比、信号 - （噪声 + 失真）比、总谐波失真和无杂散动态范围等指标表现良好，确保了信号的质量。

  3.4 内部参考特性

• 参考输出电压：REFOUT输出电压稳定，温度系数小，线路调节性能好。
• 参考缓冲增益：参考缓冲增益稳定，REFCOMP输出电压准确。

  3.5 数字输入输出特性

• 输入电压和电流：数字输入电压和电流有明确的规格，保证了数字信号的可靠传输。
• 输出电压和电流：数字输出电压和电流在不同负载条件下有明确的表现，便于与其他数字电路接口。

  3.6 电源要求

• 供电电压：正电源电压和输出正电源电压有明确的范围要求，确保了ADC的正常工作。
• 电源电流和功耗：在不同工作模式下，电源电流和功耗有明确的数值，方便进行功耗管理。

  3.7 时序特性

• 采样频率和转换时间：最大采样频率和转换时间等时序参数明确，为系统设计提供了准确的时间参考。

四、引脚功能

LTC1850/LTC1851的引脚功能丰富且灵活，涵盖了模拟输入、参考电压、数字输出、控制信号等多个方面。例如，CH0 - CH7为模拟输入引脚，可配置为单端或差分输入；REFOUT为内部2.5V参考输出，需要旁路电容以保证稳定性；REFIN用于选择参考模式和作为参考缓冲输入；REFCOMP为参考缓冲输出，决定了满量程输入范围等。每个引脚都有其特定的功能和电压范围要求，在设计电路时需要仔细考虑。

五、应用信息

5.1 转换细节

LTC1850/LTC1851的核心模数转换器采用逐次逼近算法和内部采样保持电路，将模拟信号转换为10位/12位并行输出。转换开始由CS和CONVST输入控制，在转换过程中，内部差分10位/12位电容DAC输出由逐次逼近寄存器（SAR）从最高有效位（MSB）到最低有效位（LSB）进行排序，最终将转换结果和4位地址字加载到输出锁存器中。

5.2 动态性能

• 信噪比：信号 - 噪声加失真比（S/(N + D)）反映了ADC输出中信号与其他频率成分的比例关系，有效位数（ENOB）与S/(N + D)直接相关。LTC1850/LTC1851在最大采样率下，能在接近和超过奈奎斯特输入频率时保持接近理想的ENOB。
• 总谐波失真：总谐波失真是输入信号所有谐波的均方根和与基波本身的比值，LTC1850/LTC1851在奈奎斯特频率及以上具有良好的失真性能。
• 互调失真：当ADC输入信号包含多个频谱分量时，ADC传输函数的非线性会产生互调失真。
• 峰值谐波或杂散噪声：指除输入信号和直流外的最大频谱分量，以相对于满量程输入信号的均方根值的分贝数表示。
• 全功率和全线性带宽：全功率带宽是指对于满量程输入信号，重构基波幅度降低3dB时的输入频率；全线性带宽是指S/(N + D)下降到特定值（LTC1851为68dB，LTC1850为56dB）时的输入频率。LTC1850/LTC1851经过优化设计，允许ADC对高于转换器奈奎斯特频率的输入信号进行欠采样，且在高频时噪声底非常低。

  5.3 模拟输入多路复用器

  模拟输入多路复用器通过单端/差分引脚（DIFF）、三个MUX地址引脚（A2、A1、A0）、单极性/双极性引脚（UNI/BIP）和增益选择引脚（PGA）进行控制。用户可以根据需要将MUX配置为单端或差分输入，并选择不同的增益和输入极性，以实现多种输入跨度。

  5.4 驱动模拟输入

  LTC1850/LTC1851的输入易于驱动，可作为单端输入或差分输入。输入在转换结束时仅在给采样保持电容充电时产生一个小电流尖峰，转换期间仅吸取小泄漏电流。当驱动电路的源阻抗较低时，可直接驱动ADC输入；源阻抗增加时，为了最小化采集时间，应使用缓冲放大器。

  5.5 选择输入放大器

  选择输入放大器时，需要考虑两个关键因素：一是放大器在闭环带宽频率下的输出阻抗应小于100Ω，以限制给采样电容充电时放大器看到的电压尖峰幅度；二是闭环带宽必须大于20MHz，以确保全吞吐量速率下的小信号建立。文中推荐了多款适合驱动LTC1850/LTC1851的运算放大器，如LT1360、LT1363等。

  5.6 输入滤波

  为了减少输入放大器和其他电路的噪声和失真对ADC的影响，应在模拟输入之前对噪声输入电路进行滤波。一个简单的1 - 极点RC滤波器通常就足以满足许多应用的需求，同时应使用高质量的电容和电阻，以减少失真。

  5.7 参考

  LTC1850/LTC1851包含一个片上温度补偿、曲率校正的带隙参考，工厂调整为2.500V，具有灵活的3引脚接口。REFCOMP引脚的电压决定了输入跨度，参考缓冲器具有1.6384的增益。通过不同的引脚连接方式，可以实现三种引脚可选的参考模式以及另外两种外部参考模式。

  5.8 满量程和偏移

  在需要高精度的应用中，可以在校准序列期间将偏移和满量程误差调整为零。偏移误差应在满量程误差之前进行调整，通过调整“ - ”输入的偏移来实现零偏移；满量程误差可以通过调整适当的参考电压来调整为零。

  5.9 输出数据格式

  LTC1850/LTC1851具有14位/16位并行输出，输出字通常由10位/12位转换结果数据字和4位地址组成。数据格式根据UNI/BIP输入引脚自动选择，单极性输入时为直二进制格式，双极性输入时为二进制补码格式。

  5.10 电路板布局和旁路

  为了获得LTC1850/LTC1851的最佳性能，需要使用带有接地平面的印刷电路板。布局时应确保数字和模拟信号线尽可能分离，防止数字噪声耦合到模拟输入、参考或模拟电源线上。旁路电容应连接到模拟接地平面，以提供低阻抗路径。

  5.11 电源旁路

  应使用高质量、低串联电阻的陶瓷10µF旁路电容，将其尽可能靠近引脚放置，连接引脚和旁路电容的走线应尽量短且宽。

  5.12 数字接口

• 内部时钟：A/D转换器具有内部时钟，无需外部时钟与CS和RD信号同步，内部时钟经过工厂调整，典型转换时间为550ns，最大转换时间为650ns，保证了最大采集时间为150ns，吞吐量时间为800ns，最小采样率为1.25Msps。
• 电源关机：提供Nap和Sleep两种电源关机模式，Nap模式下功耗降至5mW，唤醒时间为200ns；Sleep模式下所有偏置电流关闭，仅保留泄漏电流约50µA，唤醒时间取决于连接到REFCOMP的电容值，使用推荐的10µF电容时唤醒时间为10ms。
• 时序和控制：转换开始和数据读取操作由CONVST、CS和RD三个数字输入控制，BUSY输出指示转换器状态。不同的操作模式（如模式1a、1b、2、慢内存模式和ROM模式）具有不同的时序和控制方式。

  5.13 操作模式

• 直接地址模式：当M1和M0引脚都为低电平时选择该模式，地址输入引脚直接控制MUX，配置输入引脚直接控制输入跨度，WR引脚用于使能地址和配置输入引脚。
• 扫描模式：当M1为低电平、M0为高电平时选择该模式，转换器可以顺序且重复地扫描所有输入通道，无需用户提供地址，DIFF引脚选择扫描模式。
• 程序/回读模式：通过将M1模式引脚置高，M0模式引脚置低来访问序列器，可对最多16个位置的MUX地址和输入配置进行编程和回读。
• 序列运行模式：序列器编程完成后，将M0置高，下一个下降沿的CONVST将开始使用序列器内存中存储的MUX地址和输入配置进行转换，转换完成后，序列器指针将前进一位。

六、典型应用

文档中给出了一个典型应用示例，使用两个IDT7202LA15 1k x 9位FIFO进行数据缓冲，可快速收集1024个样本，并方便与低功耗、低速的8位微控制器接口。在设计类似应用时，我们可以参考这个示例，根据具体需求进行调整。

七、相关产品

文档还列出了一些相关产品，如LTC1410、LTC1415等，这些产品在分辨率、采样率、功耗等方面各有特点，工程师可以根据实际需求进行选择。

总之，LTC1850/LTC1851是两款功能强大、性能优越的ADC，在高速数据采集等领域有着广泛的应用前景。在实际设计中，我们需要根据具体需求，合理选择和配置这些ADC，以实现最佳的系统性能。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。