LTC2336 - 18：高性能18位ADC的全面解析

在电子工程师的日常工作中，模数转换器（ADC）是实现模拟信号到数字信号转换的关键组件。今天我们来详细探讨一下Linear Technology公司的LTC2336 - 18，这是一款低噪声、高速的18位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，在众多领域有着广泛的应用。

文件下载：LTC2336-18.pdf

1. 产品概述

LTC2336 - 18采用单5V电源供电，具有±10.24V的真双极性输入范围，非常适合需要宽动态范围的高压应用。它能够实现最大±4LSB的积分非线性（INL），18位无失码，信噪比（SNR）可达100dB。

1.1 主要特性

• 高吞吐量：250ksps的吞吐量，无周期延迟，适合各种高速应用。
• 高精度：保证18位无失码，±4LSB INL（最大）。
• 宽输入范围：支持±6.25V、±10.24V、±12.5V的真双极性输入范围。
• 低噪声：在 (f_{IN}=2 kHz) 时，典型SNR为100dB，总谐波失真（THD）为 - 115dB。
• 温度性能：保证在125°C下正常工作。
• 低功耗：典型功耗28mW，还提供睡眠模式，功耗可降至300μW。
• 灵活的接口：SPI兼容的串行I/O，支持1.8V - 5V的I/O电压，具有菊花链模式。

2. 技术参数详解

2.1 电气特性

• 输入范围：绝对输入范围（IN + 和IN - ）为 - 2.5 • VREFBUF - 0.25V至2.5 • VREFBUF + 0.25V，输入差分电压范围为 - 5 • VREFBUF至5 • VREFBUF。
• 转换器特性：分辨率为18位，无失码，过渡噪声为0.8LSBRMS，INL最大为±4LSB，DNL最大为±1LSB。
• 动态精度：在不同输入范围和频率下，SINAD、SNR、THD和SFDR等指标表现出色。例如，在±10.24V范围， (f_{IN}=2 kHz) ，REFIN = 2.048V时，SINAD典型值为100dB，SNR典型值为100dB，THD典型值为 - 115dB。

2.2 内部参考特性

内部参考输出电压为2.048V，温度系数最大为20ppm/°C，输出阻抗为15kΩ。参考缓冲器输出电压为4.096V，输入电压范围为2.5V - 5V。

2.3 数字输入输出特性

数字输入高电平电压为0.8 • OVDD，低电平电压为0.2 • OVDD，输入电流范围为 - 10μA至10μA，输入电容为5pF。数字输出高电平电压为OVDD - 0.2V，低电平电压为0.2V。

2.4 电源要求

VDD电源电压范围为4.75V - 5.25V，OVDD电源电压范围为1.71V - 5.25V。在250ksps采样率下，典型功耗为28mW。

3. 工作原理

3.1 转换器操作

LTC2336 - 18的工作分为采集和转换两个阶段。在采集阶段，电荷再分配电容D/A转换器（CDAC）连接到由IN + 和IN - 引脚驱动的电阻分压器网络的输出，采样差分模拟输入电压的衰减和电平转换版本。CNV引脚的上升沿启动转换，在转换阶段，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，最终输出近似采样模拟输入的数字代码。

3.2 传输函数

LTC2336 - 18将±5 • REFBUF的满量程电压数字化为 (2^{18}) 个电平，当REFBUF = 4.096V时，LSB大小为156µV，输出数据采用2的补码格式。

4. 应用电路设计

4.1 模拟输入

模拟输入为全差分输入，可通过等效电路建模。输入的背对背二极管提供ESD保护，电阻分压器网络对输入信号进行衰减和电平转换。在采集阶段，采样CDAC的45pF电容与采样开关的约50Ω导通电阻串联连接到电阻分压器网络的输出。

4.2 输入驱动电路

为了获得最佳性能，建议使用缓冲放大器驱动LTC2336 - 18的模拟输入。缓冲放大器提供低输出阻抗，可最小化增益误差，并允许模拟信号在采集阶段快速稳定。对于噪声较大的输入信号，应在缓冲放大器输入之前使用低带宽滤波器进行滤波。

4.3 单端到差分转换

对于单端输入信号，需要使用单端到差分转换电路。推荐使用LT1469高速双运算放大器进行转换，能够实现良好的性能。

4.4 ADC参考

提供了三种提供ADC参考的方式：

• 内部参考和参考缓冲器：使用内部低噪声、低漂移的带隙参考，REFIN引脚输出2.048V，参考缓冲器将其增益到4.096V，输入范围为±10.24V。
• 外部参考与内部缓冲器：可以通过外部参考驱动REFIN引脚，范围为1.25V - 2.4V，REFBUF输出为2 • REFIN，输入范围为±5 • REFIN。
• 外部参考无缓冲：将REFIN接地，禁用内部参考缓冲器，通过外部参考驱动REFBUF引脚，输入范围为±6.25V - ±12.5V。

5. 动态性能测试

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。LTC2336 - 18在额定吞吐量下提供了有保证的交流失真和噪声测量限制。例如，在250kHz采样率和2kHz输入下，典型SINAD为100dB，SNR为100dB。

6. 功耗考虑

LTC2336 - 18提供5V电源（VDD）和数字输入/输出接口电源（OVDD）。该器件没有特定的电源排序要求，但要注意绝对最大额定值中的电压关系。它具有上电复位（POR）电路，在电源电压低于2V时会复位，重新进入正常范围后会重新初始化。在POR事件后200μs内不应启动转换，以免产生无效结果。

7. 时序和控制

7.1 CNV时序

CNV引脚控制转换，上升沿启动转换并为LTC2336 - 18上电。转换开始后，必须等待转换完成才能重新启动。为了获得最佳性能，CNV应使用低抖动信号驱动。BUSY输出指示转换状态，转换进行时为高电平。

7.2 采集

专有采样架构允许LTC2336 - 18在当前转换开始527ns后开始采集下一次转换的输入信号，采集时间延长至3.460µs，降低了稳定要求，可使用低功耗的ADC驱动器。

7.3 内部转换时钟

内部时钟经过调整，最大转换时间为3µs。

7.4 自动休眠模式

转换完成后，LTC2336 - 18自动进入休眠模式，只有ADC核心断电，其他电路保持活跃。新转换启动时，器件完全上电。该模式可随着采样频率降低而降低功耗。

7.5 睡眠模式

为了进一步节省功耗，LTC2336 - 18提供睡眠模式。在睡眠模式下，整个器件除了少量待机电流外完全断电，功耗为300μW。进入睡眠模式需在没有SCK上升沿的情况下两次切换CNV，唤醒时需要等待参考和参考缓冲器充电完成。

8. 数字接口

LTC2336 - 18具有串行数字接口，支持1.8V - 5V的数字逻辑。串行输出数据在SCK引脚施加外部时钟时从SDO引脚输出，数据在SCK上升沿改变状态。根据不同的应用需求，提供了正常模式和菊花链模式。

8.1 正常模式 - 单设备

当CHAIN = 0时，LTC2336 - 18工作在正常模式，RDL/SDI引脚用于启用或禁用SDO引脚。

8.2 正常模式 - 多设备

多个LTC2336 - 18设备在正常模式下可共享CNV、SCK和SDO引脚，通过RDL/SDI引脚选择输出数据的设备，避免总线冲突。

8.3 菊花链模式 - 多设备

当CHAIN = OVDD时，LTC2336 - 18工作在菊花链模式，SDO始终启用，RDL/SDI作为串行数据输入引脚，适用于硬件资源有限的应用。

9. 电路板布局

为了获得最佳性能，建议使用印刷电路板（PCB），并确保数字和模拟信号线尽可能分开。旁路电容应尽可能靠近电源引脚，模拟输入走线应进行接地屏蔽。

10. 相关产品

Linear Technology还提供了一系列相关的ADC、DAC、参考和放大器产品，可根据具体应用需求进行选择。

总之，LTC2336 - 18是一款性能出色的18位ADC，具有高吞吐量、高精度、低噪声和低功耗等优点，适用于可编程逻辑控制器、工业过程控制、高速数据采集等多种应用场景。电子工程师在设计过程中，可根据具体需求合理选择和应用该器件，以实现最佳的系统性能。你在使用类似ADC器件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。