LTC2421/LTC2422：20位微功耗无延迟∆Σ ADC的卓越之选

在电子设计领域，高精度、低功耗的模拟 - 数字转换器（ADC）一直是工程师们追求的目标。LTC2421/LTC2422作为Linear Technology Corporation推出的1/2通道20位微功耗无延迟∆Σ ADC，以其出色的性能和丰富的功能，为众多应用场景提供了理想的解决方案。

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一、器件概述

LTC2421/LTC2422工作在2.7V至5.5V的单电源下，采用MSOP - 10的超小封装，集成了振荡器，具有8ppm的积分非线性（INL）和1.2ppm的RMS噪声。其独特的数字滤波器架构能够在单个转换周期内完成稳定，消除了传统∆Σ转换器中的延迟问题，大大简化了多路复用应用。

1. 关键特性

• 高精度转换：20位的分辨率，无丢失码，确保了高精度的模拟信号转换。
• 低功耗设计：低至200µA的供电电流，且支持自动关机功能，有效降低了系统功耗。
• 灵活的配置：通过单个引脚可配置为在50Hz或60Hz ±2%时实现优于110dB的抑制，也可由外部振荡器驱动，实现1Hz至120Hz的用户自定义抑制频率。
• 宽输入范围：输入转换范围为 - 12.5% VREF至112.5% VREF（VREF = FSSET - ZSSET），能够有效解决传感器或信号调理电路的偏移和过范围问题。
• 兼容接口：通过2线或3线数字接口与SPI和MICROWIRE协议兼容，便于与其他设备进行通信。

二、引脚功能

1. 电源与参考引脚

• VCC（引脚1）：正电源电压，需使用10µF钽电容与0.1µF陶瓷电容并联旁路到GND引脚，以确保电源的稳定。
• FSSET（引脚2）：满量程设置输入，定义了满量程输入值，当VIN = FSSET时，ADC输出满量程（FFFFFH）。
• ZSSET（引脚5）：零量程设置输入，定义了零量程输入值，当VIN = ZSSET时，ADC输出零量程（00000H）。
• GND（引脚6）：接地引脚，为模拟地、数字地、参考地和信号地共享，应通过最短的走线直接连接到接地平面，或作为单点接地系统中的单点接地。

2. 模拟输入引脚

• CH0、CH1（引脚4、3）：模拟输入通道，输入电压范围为 - 0.125 • VREF至1.125 • VREF。对于LTC2422，转换在CH0和CH1之间交替进行；而LTC2421的引脚4为NC（无连接）。

3. 数字控制引脚

• CS（引脚7）：低电平有效数字输入，拉低该引脚可使能SDO数字输出并唤醒ADC。转换完成后，若CS为高电平，ADC自动进入睡眠状态。
• SDO（引脚8）：三态数字输出，在数据输出期间用于串行数据输出；当CS为高电平时，SDO处于高阻抗状态。在转换和睡眠期间，可作为转换状态输出。
• SCK（引脚9）：双向数字时钟引脚，在内部串行时钟操作模式下作为数字输出，在外部串行时钟操作模式下作为数字输入。
• FO（引脚10）：频率控制引脚，控制ADC的陷波频率和转换时间。连接到VCC时，数字滤波器的第一个零点位于50Hz；连接到GND时，第一个零点位于60Hz；由外部时钟信号驱动时，数字滤波器的第一个零点位于fEOSC/2560。

三、工作模式与应用

1. 转换操作周期

LTC2421/LTC2422的操作周期包括转换、睡眠和数据输出三个状态。转换完成后，若CS为高电平，设备进入睡眠状态以降低功耗。当CS拉低且SCK上升沿到来时，设备开始输出转换结果，数据在SCK的下降沿更新，允许用户在SCK的上升沿可靠地锁存数据。

2. 频率抑制选择

通过FO引脚的连接，可选择50Hz或60Hz的抑制，也可使用外部转换时钟实现自定义的频率抑制。在睡眠或数据输出状态下改变选择不会干扰转换器的操作；若在转换状态下改变选择，当前转换结果可能超出规格，但后续转换不受影响。

3. 串行接口模式

• 外部串行时钟，单周期操作：使用外部串行时钟移出转换结果，通过CS信号监控和控制转换周期的状态。
• 外部串行时钟，2线I/O：利用2线串行I/O接口，CS可永久接地，简化用户接口。
• 内部串行时钟，单周期操作：使用内部串行时钟移出转换结果，通过CS信号监控和控制转换周期的状态。
• 内部串行时钟，2线I/O，连续转换：使用2线全输出接口，CS可永久接地，实现连续转换。
• 内部串行时钟，自动启动转换：在上述模式基础上，通过外部定时电容连接到CS，实现自动启动转换，适用于需要定期监测和超低功耗的应用。

4. 典型应用

• 称重秤：高精度的转换和低噪声特性，能够准确测量重量信号。
• 直接温度测量：可直接数字化温度传感器的输出，实现精确的温度测量。
• 气体分析仪：对气体传感器输出的微弱信号进行高精度转换，提高分析的准确性。
• 应变计传感器：消除寄生电阻带来的误差，准确测量应变计的输出信号。
• 仪器仪表和数据采集：为各种仪器仪表和数据采集系统提供高精度的模拟 - 数字转换。
• 工业过程控制：实时监测和控制工业过程中的各种参数。

四、设计要点

1. 接地与电源

为了保证LTC2421/LTC2422的精度，应尽量减小输入和参考信号串联的接地路径阻抗，降低通过该路径的电流。GND引脚应通过最短的走线连接到低电阻接地平面，推荐使用多个过孔以进一步降低连接电阻。同时，在转换状态下应尽量减少数字信号的转换次数，以降低电源电流。

2. 数字信号电平

数字输入信号应驱动到全CMOS电平（VIL < 0.4V和VOH > (VCC - 0.4V)），以避免CMOS输入接收器在0.5V至(VCC - 0.5V)范围内额外吸取电源电流。对于快速数字输入信号，应注意避免因阻抗不匹配导致的过冲和下冲问题，可通过在驱动器或转换器引脚附近放置27Ω至56Ω的串联电阻来解决。

3. 输入和参考驱动

LTC2421/LTC2422的模拟输入和参考信号应用于开关电容网络，会产生动态输入电流。为了实现1ppm的精度，VIN和VREF的等效时间常数应小于460ns。对于不同的输入电容和参考电容，应根据具体情况选择合适的外部源电阻，以减少偏移和满量程误差。

五、总结

LTC2421/LTC2422以其高精度、低功耗、无延迟和灵活的配置等优点，为电子工程师在各种应用场景中提供了可靠的解决方案。在实际设计中，需要充分考虑接地、电源、数字信号电平和输入参考驱动等因素，以确保器件的性能得到充分发挥。你在使用LTC2421/LTC2422的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。