深入剖析 LTC2157-14/LTC2156-14/LTC2155-14 高性能 ADC

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关键桥梁。今天，我们将深入探讨 Linear Technology 公司的 LTC2157-14/LTC2156-14/LTC2155-14 这三款高性能 ADC，了解它们的特性、性能以及应用场景。

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产品概述

LTC2157-14/LTC2156-14/LTC2155-14 是 2 通道同时采样的 14 位 A/D 转换器，采样率分别为 250Msps、210Msps 和 170Msps。它们专为数字化高频、宽动态范围信号而设计，适用于对 AC 性能要求较高的通信应用。这些 ADC 具有 70dB 的信噪比（SNR）和 90dB 的无杂散动态范围（SFDR），输入带宽高达 1.25GHz，能够以良好的性能对高频信号进行欠采样，且延迟仅为六个时钟周期。

产品特性

高性能指标

• 高 SNR 和 SFDR：70dB 的 SNR 和 90dB 的 SFDR 确保了在处理高频信号时能够提供准确的数字化结果，有效减少噪声和杂散信号的干扰。
• 低功耗：总功耗分别为 650mW、616mW 和 567mW，采用单 1.8V 电源供电，满足低功耗设计的需求。
• DDR LVDS 输出：支持双数据速率低压差分信号（DDR LVDS）输出，提高了数据传输的速度和可靠性。
• 易于驱动的输入范围：输入范围为 1.5VP-P，易于与各种信号源进行匹配。
• 1.25GHz 全功率带宽 S/H：宽频带的采样保持电路允许对高频信号进行准确采样。
• 可选时钟占空比稳定器：可在较宽的时钟占空比范围内保持高性能。
• 低功耗睡眠和打盹模式：在不使用时可降低功耗，延长设备的续航时间。
• 串行 SPI 端口配置：方便进行配置和控制。
• 引脚兼容的 12 位版本：提供了更多的选择和灵活性。
• 64 引脚 QFN 封装：小尺寸封装适合高密度电路板设计。

电气特性

转换器特性

• 分辨率：14 位分辨率，无缺失码，确保了高精度的转换。
• 线性误差：积分线性误差（INL）典型值为 ±0.85LSB，差分线性误差（DNL）典型值为 ±0.25LSB，保证了转换的线性度。
• 偏移误差和增益误差：偏移误差和增益误差在规定范围内，确保了准确的转换结果。
• 过渡噪声：过渡噪声为 1.82LSBRMS，保证了信号的稳定性。

模拟输入特性

• 输入范围：模拟输入范围为 1.5VP-P，输入共模电压可根据 (V_{CM}) 进行设置。
• 输入泄漏电流：输入泄漏电流较小，确保了输入信号的准确性。
• 采样保持延迟时间：采样保持延迟时间为 1ns，确保了快速的采样响应。

动态精度特性

• SNR 和 SFDR：在不同输入频率下，SNR 和 SFDR 表现良好，确保了对高频信号的准确处理。
• 串扰：通道间串扰低至 -95dB，减少了通道间的干扰。

内部参考特性

• 输出电压：(V{CM}) 输出电压和 (V{REF}) 输出电压稳定，确保了参考电压的准确性。
• 温度漂移：输出电压的温度漂移较小，保证了在不同温度环境下的稳定性。

电源要求

• 供电电压：模拟电源电压和输出电源电压均为 1.8V，简化了电源设计。
• 电源电流：不同型号的电源电流在规定范围内，满足低功耗设计的需求。
• 功耗：正常工作功耗和睡眠模式、打盹模式功耗较低，延长了设备的续航时间。

数字输入输出特性

• 编码输入：编码输入具有一定的输入电压和输入电阻要求，确保了编码信号的准确性。
• 数字输入：数字输入具有高、低电平输入电压要求，确保了数字信号的可靠传输。
• SDO 输出：SDO 输出为开漏输出，需要外部上拉电阻，确保了数据的正确读取。
• 数字数据输出：数字数据输出为 DDR LVDS 信号，具有一定的输出电压和输出电阻要求，确保了数据的高速传输。

时序特性

• 采样频率：不同型号的采样频率分别为 250Msps、210Msps 和 170Msps，满足不同应用的需求。
• 编码低时间和高时间：编码低时间和高时间在规定范围内，确保了编码信号的正确时序。
• 数据延迟和时钟延迟：数据延迟和时钟延迟在规定范围内，确保了数据的同步传输。

引脚配置与功能

引脚配置

该系列 ADC 采用 64 引脚 QFN 封装，引脚布局合理，方便进行电路板设计。主要引脚包括电源引脚（(V{DD})、(OV{DD})）、模拟输入引脚（(AINA^{+})、(AINA^{-})、(AINB^{+})、(AINB^{-})）、编码输入引脚（(ENC^{+})、(ENC^{-})）、数字输入输出引脚（SDO、SDI、SCK、CS、PAR/SER）以及 LVDS 输出引脚等。

引脚功能

• 电源引脚：(V{DD}) 为 1.8V 模拟电源，需要用 0.1µF 陶瓷电容旁路到地；(OV{DD}) 为 1.8V 输出驱动电源，每个引脚需要用单独的 0.1µF 陶瓷电容旁路到地。
• 模拟输入引脚：差分模拟输入引脚需要围绕 (V_{CM}) 输出引脚设置的共模电压进行驱动，输入范围为 1.5V。
• 编码输入引脚：编码输入信号的质量对 A/D 噪声性能有很大影响，需要作为模拟信号处理，避免与数字走线相邻。
• 数字输入输出引脚：通过 SPI 端口可以对 ADC 的工作模式进行配置，包括睡眠模式、打盹模式、LVDS 输出电流设置等。
• LVDS 输出引脚：数字输出为 DDR LVDS 信号，每个差分输出对需要外部 100Ω 差分终端电阻，以确保信号的完整性。

应用信息

转换器操作

该系列 ADC 由单 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 DDR LVDS 信号，可通过串行 SPI 端口对模式控制寄存器进行编程，选择额外的功能。

模拟输入

模拟输入为差分 CMOS 采样保持电路，输入必须围绕 (V_{CM}) 输出引脚设置的共模电压进行差分驱动，输入范围为 1.5V，输入之间应有 180° 相位差。

输入驱动电路

• 输入滤波：在模拟输入处应使用 RC 低通滤波器，以隔离驱动电路和 A/D 采样保持开关，同时限制驱动电路的宽带噪声。
• 变压器耦合电路：在较高输入频率下，使用传输线巴伦变压器可以获得更好的平衡，降低 A/D 失真。
• 放大器电路：在非常高的频率下，RF 增益块通常比差分放大器具有更低的失真。如果增益块为单端，则需要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

该系列 ADC 具有内部 1.25V 电压参考，通过连接 SENSE 引脚可以选择内部参考或外部参考。

编码输入

编码输入信号的质量对 A/D 噪声性能有很大影响，需要作为模拟信号处理，避免与数字走线相邻。编码输入内部通过 10k 等效电阻偏置到 1.2V，如果驱动的共模电压在 1.1V 到 1.5V 之间，可以直接驱动编码输入，否则需要使用变压器或耦合电容。

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为 50%（±5%）。如果启用可选的时钟占空比稳定器电路，编码占空比可以在 30% 到 70% 之间变化，稳定器将保持内部 50% 的恒定占空比。

数字输出

数字输出为 DDR 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，需要外部 100Ω 差分终端电阻。输出由 (OV_{DD}) 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，可以通过串行编程模式控制寄存器 A3 调整输出电流，可选电流水平包括 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，可以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。

溢出位

溢出输出位（OF）在模拟输入超出范围或低于范围时输出逻辑高电平，与数据位具有相同的流水线延迟。OF 输出为双数据速率，当 CLKOUT+ 为低电平时，通道 A 的溢出可用；当 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，通常是调整时序的最佳位置。此外，ADC 也可以通过串行编程模式控制寄存器 A2 对 CLKOUT+/CLKOUT– 信号进行相移，输出时钟可以移动 0°、45°、90° 或 135°。

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 的补码格式。

数字输出随机化

通过对数字输出进行随机化处理，可以减少 A/D 数字输出的干扰。数字输出随机化通过对 LSB 和所有其他数据输出位进行异或逻辑运算实现，解码时需要进行反向操作。

交替位极性

交替位极性模式可以减少电路板上的数字反馈，当该模式启用时，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。

数字输出测试模式

为了允许对 A/D 的数字接口进行在线测试，有几种测试模式可以强制 A/D 数据输出（OF、D13 到 D0）为已知值，包括全 1、全 0、交替和棋盘格模式。

输出禁用

可以通过串行编程模式控制寄存器 A3 禁用数字输出，所有数字输出（包括 OF 和 CLKOUT）都将被禁用。

睡眠模式

A/D 可以进入睡眠模式以节省功耗，在睡眠模式下，整个 A/D 转换器将断电，功耗小于 5mW。如果编码输入信号未禁用，功耗将更高（在 250Msps 时最高可达 5mW）。

打盹模式

在打盹模式下，A/D 核心断电，而内部参考电路保持活动状态，允许更快的唤醒。从打盹模式恢复需要至少 100 个时钟周期。

设备编程模式

该系列 ADC 的工作模式可以通过并行接口或简单的串行接口进行编程。串行接口具有更多的灵活性，可以对所有可用模式进行编程；并行接口则更有限，只能对一些常用模式进行编程。

接地和旁路

LTC215X-14 需要一个在 ADC 下方第一层具有干净、不间断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。布局时应确保数字和模拟信号线尽可能分开，特别是要避免任何数字走线与模拟信号走线相邻或在 ADC 下方运行。

热传递

LTC215X-14 产生的大部分热量通过底部暴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，暴露焊盘必须焊接到 PC 板上的大接地焊盘上，该焊盘应通过一系列过孔连接到内部接地平面。

典型应用

该系列 ADC 适用于多种应用场景，包括通信、蜂窝基站、软件定义无线电、医学成像、高清视频以及测试和测量仪器等。在这些应用中，它们能够准确地数字化高频、宽动态范围的信号，为系统提供高质量的数字数据。

总结

LTC2157-14/LTC2156-14/LTC2155-14 是一系列高性能的 14 位 A/D 转换器，具有高 SNR、高 SFDR、低功耗、DDR LVDS 输出等优点。它们适用于对 AC 性能要求较高的通信应用，能够准确地数字化高频、宽动态范围的信号。通过合理的电路设计和编程配置，可以充分发挥这些 ADC 的性能，满足不同应用的需求。

在实际应用中，电子工程师需要根据具体的应用场景和要求，选择合适的输入驱动电路、参考电路、编码输入方式等，以确保 ADC 的性能和稳定性。同时，还需要注意电路板的布局和布线，避免数字和模拟信号之间的干扰，提高系统的整体性能。

你在使用这些 ADC 时遇到过哪些问题？你认为它们在哪些应用场景中表现最为出色？欢迎在评论区分享你的经验和见解。