LTC2357-18：高性能18位ADC的全面解析

在电子设计领域，模数转换器（ADC）的性能直接影响着整个系统的精度和稳定性。LTC2357-18作为一款18位、低噪声的4通道同时采样逐次逼近寄存器（SAR）ADC，凭借其出色的特性和广泛的应用场景，成为众多工程师的首选。

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一、产品概述

LTC2357-18采用5V低电压供电和灵活的高压电源，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），每个通道可独立配置输入信号范围，支持±10.24V、0V至10.24V、±5.12V或0V至5.12V的信号输入，使用外部5V参考时输入信号范围可扩展至±12.5V。此外，还可禁用个别通道以提高其余通道的吞吐量。

二、关键特性剖析

2.1 高精度与低噪声

• 积分非线性（INL）：最大为±3.5LSB，确保了转换结果的高精度。
• 无失码：在18位分辨率下保证无失码，提供了可靠的转换数据。
• 信噪比（SNR）：典型值为96.4dB，有效降低了噪声干扰，提高了信号质量。

2.2 宽输入共模范围与高共模抑制比

• 输入共模范围：VEE + 4V至VCC - 4V，能够适应各种不同的输入信号。
• 共模抑制比（CMRR）：典型值为128dB（fIN = 200Hz），有效抑制了共模信号的干扰。

2.3 灵活的接口选择

支持引脚可选的SPI CMOS（1.8V至5V）和LVDS串行接口，可与传统微控制器和现代FPGA进行良好通信。在CMOS模式下，可使用1至4个串行输出数据通道，优化总线宽度和数据吞吐量。

2.4 低功耗设计

• 典型功耗为175mW（4通道同时以350ksps转换时）。
• 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、工作原理与转换过程

3.1 转换阶段

LTC2357-18的工作分为采集和转换两个阶段。

• 采集阶段：各通道的采样保持（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-）。
• 转换阶段：CNV引脚的上升沿使所有通道的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。每个通道的采样电容依次连接到18位电荷再分配电容D/A转换器（CDAC），通过逐次逼近算法将采样的输入电压与通道的SoftSpan满量程范围的二进制加权分数进行比较，最终得到近似的模拟输入值。

3.2 传输函数

LTC2357-18将每个通道的满量程电压范围数字化为2^18个级别。通道的SoftSpan配置决定了其输入电压范围、满量程范围、LSB大小和转换结果的二进制格式。对于双极性SoftSpan范围，转换结果以补码二进制格式输出；对于单极性SoftSpan范围，则以直二进制格式输出。

四、输入特性与应用

4.1 缓冲模拟输入

每个通道可同时采样其模拟输入引脚之间的电压差（VIN+ - VIN-），并通过高共模抑制比（CMRR）衰减两个输入引脚上的共模信号。宽输入共模范围和高CMRR使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。这一特性使得LTC2357-18能够接受各种类型的信号，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网络可直接驱动3pF的模拟输入电容。对于高阻抗和慢稳定电路，可在引脚处添加680pF电容以保持LTC2357-18的直流精度。

4.3 输入过驱动容限

在任何通道上，将模拟输入驱动到VCC以上最多10mA不会影响其他通道的转换结果，但驱动到VEE以下可能会损坏其他通道的转换结果。该产品能够承受高达100mA的输入电流而不会发生闩锁。

五、参考配置与动态性能

5.1 参考配置

LTC2357-18支持三种参考配置：

• 内部参考与内部缓冲器：使用片上低噪声、低漂移（最大20ppm/°C）、温度补偿的带隙参考，工厂校准为2.048V。
• 外部参考与内部缓冲器：通过外部参考对REFIN引脚进行过驱动，有效隔离外部参考与ADC转换瞬态。
• 外部参考与禁用内部缓冲器：通过接地REFIN禁用内部缓冲器，使用外部参考对REFBUF引脚进行过驱动。

5.2 动态性能

采用快速傅里叶变换（FFT）技术测试ADC的频率响应、失真和噪声。LTC2357-18在额定吞吐量下提供了保证的交流失真和噪声测量限制。

• 信噪失真比（SINAD）：在±10.24V范围内，350ksps采样率和2kHz真双极性输入信号下，典型值为96.2dB。
• 信噪比（SNR）：在相同条件下，典型值为96.4dB。
• 总谐波失真（THD）：在±10.24V范围内，350ksps采样率和2kHz真双极性输入信号下，典型值为 - 110dB。

六、电源与时序控制

6.1 电源要求

LTC2357-18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可在各自允许的工作范围内独立偏置，包括VEE可直接接地。

6.2 时序控制

• CNV时序：CNV引脚的上升沿控制采样和转换，转换开始后除非重置ADC否则不能提前终止。
• 内部转换时钟：内部时钟经过校准，在N个通道启用时最大转换时间为550•N ns，确保了稳定的转换性能。
• 休眠模式：转换完成后可进入休眠模式以降低功耗，通过保持CNV高电平实现。
• 掉电模式：PD引脚置高时，LTC2357-18进入掉电模式，后续转换请求被忽略。
• 重置时序：两次将PD引脚置高且中间无转换可触发全局重置。

七、数字接口与数据传输

7.1 接口选择

支持CMOS和LVDS串行接口，可通过LVDS/CMOS引脚选择。灵活的OVDD电源使LTC2357-18能够与1.8V至5V的CMOS逻辑进行通信。

7.2 数据传输

• CMOS I/O模式：串行数据总线包括SCKI、SDI、SCKO和SDO0至SDO3。在数据事务窗口内，设备接受12位SoftSpan配置字并输出24位数据包。
• LVDS I/O模式：使用差分信号对传输信息，同样在数据事务窗口内进行数据交互。

八、PCB布局与参考设计

8.1 PCB布局

为获得最佳性能，建议使用四层印刷电路板（PCB），确保数字和模拟信号线尽可能分离，避免数字时钟或信号与模拟信号并行或在ADC下方布线。同时，应尽量缩短REFBUF到GND的旁路电容返回回路长度，避免CNV引脚靠近可能干扰其上升沿的信号。

8.2 参考设计

可参考DC2365评估套件，获取该转换器的详细参考设计，包括原理图和PCB布局。

九、相关产品推荐

除了LTC2357-18，还有一系列相关产品可供选择，如LTC2358-18/LTC2358-16、LTC2333-18/LTC2333-16等，这些产品在分辨率、采样率、通道数等方面各有特点，可根据具体需求进行选择。

LTC2357-18以其高精度、低噪声、宽输入范围和灵活的接口等特性，为电子工程师在设计高性能系统时提供了可靠的选择。在实际应用中，合理配置和使用该ADC，结合良好的PCB布局和电源管理，能够充分发挥其性能优势，满足各种复杂的应用需求。你在使用LTC2357-18或类似ADC时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。