无延迟 18 位 15Msps SAR ADC 改进了高速控制和数据采集应用中的性能

现在，借助 LTC2387-18 18 位 15Msps ADC，Analog Devices Linear电源 使逐次逼近寄存器 (SAR) 体系结构的优势在这些应用中得以发挥。

图 1：带 LVDS 接口的 LTC2387-18 15Msps SAR ADC（来源：Analog Devices Linear电源）

与流水线 ADC 相比，LTC2387-18 提供了许多优势，使得传统上依赖流水线 ADC 性能的应用能够实现显著的性能改进。

SAR 还是流水线转换器？

模数转换器设计进行了一些妥协，取决于主要目标：高分辨率、高速度或低功耗。

为全面覆盖各类应用要求，近年来出现了多个 ADC 体系结构；对于采样率在 kHz 至 MHz 范围之前且分辨率高达 20 位的工业、仪表和医疗应用，SAR 体系结构和流水线体系结构是两个最常用的选项。

从传统上说，逐次逼近寄存器 (SAR) 体系结构对于主流的较低频率信号模拟数字转换器应用来说是最为主流和可靠的体系结构。它提供了从高分辨率、低速率的三角积分结构到高速率、较低性能的流水线体系结构之间的过渡。通常，它们的成本低于流水线 ADC，且功耗比较适中。SAR 转换器在连续转换之间没有延迟，是进行复用或非周期性信号采样的理想选择。

流水线转换器使用多阶段顺序流水线体系结构来提高采样速度。它们能以极高的采样速率获取宽广的信号带宽或更高输入频率的信号，并在单个样本上相比高速 SAR ADC 功耗更低，因此统治了市场。它们不适合处理复用或非周期性输入，因为它们每次发生信号源改变都必须“冲洗管线”，这大大增加了延迟。

LTC2387 与 LTC2269 的性能比较

LTC2387-18 的性能与具有比得上的性能的流水线转换器相比较如何？图 2 显示了 LTC2387-18 与 LTC2269（一种 16 位 20Msps 流水线转换器）之间的关键规格的比较。

图 2：LTC2387-18 和 LTC2269 之间的性能比较

LTC2387-18 优势

LTC2387-18 具有许多优势：

• 延迟：流水线 ADC 存在多个周期延迟。LTC2387 的 SAR 体系结构无延迟或流水线延迟。这在模数转换作为负反馈系统的一部分的闭环控制应用中尤为重要。使用无延迟 ADC，可获得更宽的带宽以及更快的反馈响应。

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• DC 准确度：LTC2387-18 提供了出色的 INL 和偏移误差性能。虽然 LTC2269 具有比竞争产品更出色的 DC 性能，但流水线 ADC 可能对于流程缺陷很敏感，从而导致增益、偏移和其它参数具有非线性特征。

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• SNR：由于宽输入范围为 8.192Vp-p，相比于某些具有相似采样率的最佳流水线 ADC，LTC2387-18 提供了至少 10dB 的 SNR 优势。这在成像应用中尤为重要。线阵影像传感器捕获连续图像，并广泛应用于工业探测器、航空摄影和卫星成像。此类应用需要高速扫描，以提高探测效率或捕获快速移动的对象。要捕获的图像可能还包含高亮度和低亮度对象，这需要超过 90 dB 的动态范围。即使采用较高采样率（高达奈奎斯特频率），也能保持很好的 LTC2387-18 SNR 和 SINAD 数字，如图 3 中所示。此性能优势将其与竞争的 SAR ADC 区分开来。

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• 1/f 噪声：虽然此项未在数据表中专门说明且很难进行测量，但 LTC2387 体系结构仍大幅减少了偏移误差。还大幅减小了 1/f 噪声。通常，流水线 ADC 受到的噪声会提高 1/f。

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• 布局灵敏度：流水线转换器性能比其它体系结构更依赖 PCB 布局。

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• 封装尺寸：LTC2387-18 采用的是 5x5 QFN-32 封装。LTC2269 具有并行接口，需要更大的 7x7 QFN-48 封装。双通道版本的 LTC2269 适用于串行 LVDS 输出 (LTC2271)，并且采用的是节省空间的 7x8 QFN-52 封装。

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• 图 3：具有高达奈奎斯特频率快速输入的 LTC2387-18 的 SNR & SINAD 性能

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• 请注意，SNR（信噪比）是 RMS 输入信号与所有其它光谱分量（不包括信号谐波）的 RMS 总和的比率。SINAD 定义为信号与（噪声 + 失真）的比率，测量包含噪声和信号谐波。比率不包含 DC。由于包含这些谐波项，SINAD 要比采用高输入频率的 SNR 下降得更快。通常，SINAD 对于较高频率输入（特别是超出第一奈奎斯特区的输入）更为重要，可作为欠采样应用中的一个性能指示。使用满幅输入测量 SNR 和 SINAD。

LTC2269 优势

不过，LTC2269 在某些方面仍具有优势：

• 功率消耗：对于相同的采样率，LTC2387-18 的功耗高于类似的流水线 ADC 的功耗。为了降低功耗，设计人员可从 LTC238x 系列产品中选择具有较低采样率的引脚兼容的零件。

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• 输入驱动：为了 LTC2387-18 能够实现其出色的 SNR，必须扩展模拟输入信号以利用完整的 ±4.096V 输入电平。LTC2269 具有 ±1.05V 的满幅输入。信号失配的应用可能需要额外的前端驱动级。

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• 较高的奈奎斯特区性能：仅在第一奈奎斯特区中，LTC2387-18 优于流水线 ADC，即输入带宽为采样频率的一半或更少。流水线 ADC 更适用于数字化欠采样应用的第二及更高的奈奎斯特区模拟信号。在 LTC2269 的特定情况中，其旨在通过限制输入带宽提供高 SNR，不适用于欠采样应用。

应用注意事项

LTC2387-18 数据表包含有关应用信息的详细部分，但存在一些此部分的关键区分性特征。

串行接口

LTC2387-18 使用串行低压差分信号 (LVDS) 接口将输出数据传输到下游现场可编程门数组、微控制器或数字信号处理器。这节省了处理器上的 I/O，而且还减少了系统中的数字噪声。

为了轻松地与低速现场可编程门数组连接，LTC2387 可通过两个 LVDS 数据通道流式传输其输出。最大数据速率为 800Mbps。相比于单道模式下的 360Mbps，双道模式下每个通道的最小数据速率为 180Mbps。

驱动 LTC2387-18

LTC2387-18 有一个全差分 ±4.096V 输入范围。IN⁺ 和 IN^- 引脚应彼此以 180^o 异相驱动，并围绕共模电压电平 V_CM = (IN⁺ + IN^-)/2。

低阻抗源可直接驱动高阻抗输入，不会产生增益误差，但为了获得最佳性能，应使用缓冲放大器。该放大器提供低输出阻抗，从而快速建立模拟信号。它还在每个采集阶段开始时将信号源与由 ADC 输入使用的电流尖脉冲隔离，此时这些输入可能被建模为驱动电路上的开关电容器负载。

图 4：典型输入驱动电路

为此，推荐使用 LT6200 超低噪声运算放大器。它是一个具有轨对轨输入和输出的单一运算放大器，并具有 0.95nV/√Hz 的噪声电压。LT6200 结合了极低噪声与 165MHz 增益带宽、50V/µs 转换速率，并针对低电压信号调节系统进行了优化。

RC 滤波器的滤波电容器和电阻器的值是特定于应用的。图 4 中显示的电阻器值在一系列广泛的条件下提供良好性能。CFILT 的值涉及一种权衡：较大的值提供更好的噪声性能，较小的值提供更好的满幅错误。LTC2387-18 数据表中的图形提供了基于采样率的代表值。

使 CFILT 电容器尽可能地匹配非常重要。由于电阻器和电容器可以增加失真，设计中应选用高品质的元器件，如金属膜电阻器和零漂移陶瓷 (NPO) 或银云母电容器。

内部电压参考

为了节省成本，LTC2387-18 包含一个精准的 2.048V 内部基准电压，提供保证的 0.25% 初始准确度和 ±20ppm/°C（最大）温度系数以及内部基准电压缓冲。

此内部基准电压应适合大部分应用，但如果需要更高的准确度，推荐使用 LTC6655。这是一种低噪声精度基准电压，在整个温度范围 –40°C 至 125°C 提供小于 2ppm/°C 的漂移和精度达 ±0.025% 的输出电压。

利用 LTC2387-18 进行过采样

许多应用可能仅需要几 ksps 的采样率，但需要极高的信噪比。

例如，脑照影片可能要求在高噪声水平收集信号；细胞受到刺激时出现的电活动，即动作电位，可能以 100Hz 到 2kHz 的频率达到 10uv 到 100mv。

在这类应用中，对相对较慢或窄带模拟信号进行过采样以在下游处理器中执行复杂的数字滤波，是增加 ADC 的有效位数 (ENOB) 并提高 SNR 的一种常见方法。

理想 ADC 的 SNR 由以下著名的方程式得出：

SNR (dB) = (6.02 * ENOB) + 1.76

对于每个所需的分辨率位数，必须按下列四个系数之一对信号进行过采样：

f_OS = 4^W * f_S

其中，w 是所需的额外位数，f_S 是原始采样频率，f_OS 是过采样频率。

噪声必须接近于具有超过感兴趣频带的一致功率谱密度的白噪声，而且其振幅必须足以导致输入可随意改变，连续采样之间至少 1LSB。

考虑到这些限制，LTC2387-18 的采样率非常适合对具有采用 kHz 范围的输入带宽的模拟输入进行过采样，从而进一步提高噪声性能。

图 5：LTC 238x 系列产品

LTC238x 系列提供了额外的设计灵活性

系统设计人员可微调该应用的 ADC 性能。LTC238x 系列的引脚兼容设备可在商业和工业温度范围内提供 16 位或 18 位分辨率。设计人员可以通过选择 5Msps 或 10Msps 的采样率以所需分辨率降低功耗。从图 X 中可以看到，在以相同的采样率从 16 位分辨率移至 18 位分辨率时没有功率损失。

设计支持

评估 LTC2387-18 可通过使用其关联的演示板 DC2290A-A（如图 6 中所示）轻松实现。DC2290A-A 与 PScope™ 系统（一种基于 USB 的产品演示和数据采集系统）的数据收集板 (DC718) 一起演示了 LTC2387-18 的 AC 性能。

图 6：LTC2387-18 的 DC2290A-A 演示板

单独提供差分放大器演示板，该演示板可放大低电平差分信号（如果需要）。为此，推荐使用 DC2403A ADC 驱动板。或者，通过将 DC2290A 连接到客户应用程序，直接在该电路中评估 LTC2387 的性能。

Analog Devices Linear电源 提供了各种免费的数据采集和分析工具，包括适用于 DC718 的 PScope 软件。

对于其它 LTC238x 系列产品，根据下图选择适当的演示板组合。

图 7：适用于 LTC238x 系列的演示板和驱动板选项

结论

LTC2387-18 是一种 15Msps、18 位逐次逼近寄存器 (SAR) 模数转换器 (ADC)，与流水线转换器（高达奈奎斯特频率）相比，它提供了出色的性能，包括高达 20dB 的 SNR 的改善、极低失真、无周期延迟以及无流水线延迟。

这种转换器是对各种应用（包括通信、高速成像、医学仪器和 ATE）中宽带模拟信号进行数字化处理的理想选择。特别适合关闭快速控制回路，其中，无延迟操作将提供更大带宽及更快的响应速度。