高速度、低功耗和真正同時采樣的ＳＡＲ ＡＤＣ

引言

對于從幾Hz到幾MHz模擬信號的快速數字化，逐次逼近型(SAR)ADC是很多應用的最佳選擇。SAR ADC的快速響應和低延遲使其非常適用于單通道或多通道的數據采集。

低功率SAR ADC至關重要，因為越來越多的設計開始采用較低的電源電壓和較嚴格的功率預算。就需要單個輸入信號的設計師來說，解決方案尺寸也是一個關鍵要求，因為很多低功率SAR ADC用于便攜式或多通道系統，這類系統PCB空間有限。隨著設計師試圖用更少的空間做更多的事情，小封裝尺寸就變得極其重要了。

隨著封裝尺寸縮小，用串行接口取代并行接口以減少數據線數量是有意義的，這樣同時減小SAR ADC和微處理器的尺寸。串行接口還減輕了電路板布設很多并行數據線所導致的問題。

6通道同時采樣ADC

電動機控制是很多受益于同時采樣SARADC的應用之一。在電動機控制電路中，被測通道的相位關系必須保持原狀，因此需要具有多個采樣與保持放大器(S／HA)的同時采樣ADC。數據可以內部存儲并順序讀出，同時保持輸入相位關系不變。如果不同時采樣，那么控制算法可能錯誤地調節電動機的扭矩或速度的控制，從而導致振動并增加電動機磨損。凌力爾特公司有一個不斷擴大的低功率同時采樣ADC系列，專門面向電動機控制、伺服環路和通用AC電源監視應用。

凌力爾特公司提供4種低功率、6通道同時采樣ADC，為兩種快速采樣率(每通道250kSPS和100kSPS)以及兩種不同分辨率(14位和12位)而優化。這些器件都是引腳和軟件兼容，使之容易優化分辨率、速度和成本的設計。這些ADC采用5mm×5mm32引腳QFN封裝，采用單個3V電源向模擬和數字電路供電，因此降低了功耗，消除了對較高電壓電源的需求。

優化的低功率ADC

14位LTC2351-14是1.5MSps、低功率SAR ADC，具有6個同時采樣的差分輸入通道(圖1)。它用單個3V電源工作，具有6個獨立的采樣與保持放大器的單個ADC。具多個S／HA的單通道ADC實現了良好的通道間范圍匹配(1mV)和通道至通道時滯(200ps)。6個通道可以監視兩個獨立的電動機，提供有關電動機扭轉力、速度、軸位置和方向的重要信息。

通用的LTC2351-14還適合其他的工業監視應用，例如：用于確保輸入電壓相位的三相電壓監視、電流和電壓的三相功率監視、功率因數校正和數據采集。這些應用可能需要便攜性，正是這樣才需要LTC2351-14的低功率和小尺寸。該器件的功耗僅為16.5mW，這延長了電池壽命。3線串行接口意味著比傳統并行輸出器件更少的引腳數，從而允許LTC2351-14采用32引腳、5mm×5mmQFN封裝。

LTC2351-14在不轉換時，ADC具有兩種節省功率模式。在待機模式的功耗可以降至4.5mW，這時內部2.5V基準保持有效。休眠模式進一步將功耗降至12uW，這時內部電路斷電，進一步延長電池壽命。從休眠模式醒來，內部基準就在2ms內穩定，之后轉換在1個時鐘周期內恢復。

由3條輸入選擇線配置所轉換的差分輸入數量，從250kSPS時的6個差分輸入、750kSPS時的兩個差分輸入到1.5MSps時的1個差分輸入，隨著所轉換通道數的減少，可以實現較高的速度。雙極性／單極性輸入線選擇±1.25V雙極性或OV至2.5V單極性輸入范圍。100kHz輸入信號產生75dB的SINAD和-90dB的THD。LTC2351-14的真正差分輸入和83dB共模抑制，使其適用于最大限度地降低在嚴酷工業環境中普遍存在的共模噪聲。就較低分辨率應用和性能與成本優化而言，凌力爾特公司提供引腳和軟件都兼容的12位LTC2351-12 ADC。LTC2351-12也同時對多達6個差分通道采樣，僅消耗16.5mW功率，具有72dB的SINAD。

有些同時采樣ADC也能夠測量6個通道，但是只使用兩個S／HA、兩個ADC和兩個3:1多路轉換器。在這些同類競爭的ADC中，只有兩個通道是同時采樣。多個ADC可能意味著封裝內ADC之間的失配。INL(積分非線性)可保持在最大額定值范圍之內，但是可能一個ADC上是一種極性，第二個ADC上又成了相反的極性。通過集成6個S／HA和單個ADC，LTC2351-14不會遭遇與多個ADC有關的異常情況，非常適用于需要同時對兩個以上通道進行采樣的應用。

AC性能提高的較低采樣率ADC

凌力爾特公司還提供一對為較慢采樣率而優化的6通道同時采樣ADC。就所有6個通道而言，14位LTC1408和12位LTC1408-12為每通道高達100kSPS的輸出速率而優化，兩個通道為300kSPS，單通道為600kSPS。LTC1408提高了AC性能(采用外部基準，300kHz時SINAD為79dB)。與LTC2351系列一樣，兩種LTC1408 ADC都是低功耗(15mW)的，采用小型5mm x5mm 32引腳QFN封裝，具有6個采樣與保持放大器。

LTC1408和LTC2351-14 6通道SARADC非常適用于監視3相電壓和電流，如圖2所示。衰減網絡從外部將電壓降至所選定的雙極性／單極性輸入范圍。3個模擬輸入測量電壓時，另外3個通道采用信號調理和濾波來變換電流，6個S／HA保持電壓、電流之間的相位關系不變，數據可以通過串行接口讀出。這些ADC還具有數字輸出電源電壓，該電源電壓可以設置在模擬電源電壓直至1.8V的電壓之間，因此可以與1.8V、2.5V或3V數字邏輯電路連接。

兩通道同時采樣ADC

編碼器和通信這類應用需要僅在兩個通道上以每通道高于1MSps的速率同時采樣，就這樣的應用而言，快速SAR ADC仍然很好用。凌力爾特公司提供引腳和軟件都兼容的14位和12位兩通道：同時采樣SARADC系列。

與6通道同時采樣ADC一樣，14位、兩通道LTC1407A-1也為低功率和小封裝尺寸而優化，進一步延長了電池壽命并縮小了PCD的總面積。LTC1407A-1采用10引腳MSOP封裝，僅消耗14mW功率。這個小型ADC以每通道1.5MSps的速率測量兩個±1.25V的雙極性通道，或以3MSps的速率測量單通道。沒有哪個尺寸類似的同類ADC能達到LTC1407A-1那樣的速度和輸入頻率范圍。

引腳和軟件都兼容的LTC1407A是0V至2.5V的單極性14位ADC。在測量差分AC輸入時，單極性和雙極性LTC1407 ADC都很好用，非常適用于通信應用。LTC1407A-1和LTC1407A采用750kHz輸入頻率和3.3V外部基準，實現了76.3dB的SINAD和一86dB的THD。在相同的輸入頻率上，SFDR為86dB，互調失真為-82dB。

對于較低分辨率的應用而言，可采用12位LTC1407-1(雙極性)和12位LTC1407(單極性)ADC。所有4種LTC1407 ADC都有2.5V內部基準、打盹(3.3mW)和休眠(6btW)斷電模式。

數據采集系統

SAR ADC也是數據采集應用的最佳選擇，因為這種ADC能夠以低數據延遲或無數據延遲實現多通道轉換。數據采集要能夠監視工業應用中廣泛的模擬信號，這其中常常包括溫度、壓力、電壓或負載電流等幾百個通道。

圖3顯示一個用于多通道數據采集系統的模擬信號鏈路。這些信號通過一系列多路轉換器和信號調理電路發送后，使用LTC2335-14等快速單通道SAR ADC。多路轉換器和具有高增益帶寬的放大器可用來切換不同的數據輸入。LTC1391是8:1多路轉換器，LT6241是一個精確的放大器，具有低噪聲(550nVp-p)、1pA偏置電流和17MHz單位增益帶寬，為ADC提供低阻抗連接。

高速單通道SAR ADC

除了不斷擴大的同步采樣ADC系列，凌力爾特公司還在擴大其引腳和軟件都兼容的高速單通道SAR ADC系列。14位、3.5MSps LTC2356-14測量單個差分輸入，通過SPI串行接口通信。這種SARADC用單3.3V電源工作，在最高轉換率時僅消耗18mW，采用纖巧的10引腳MSOP封裝。高速、低功率加上小封裝使LTC2356-14非常適用于高速和便攜式應用、(如數據采集、通信和醫療儀器)，如圖4所示。

LTC2356-14以1.4MHz輸入頻率實現72.3dB的SINAD和-82dB的SFDR。在以差分方式測量±1.25V雙極性輸入時，LTC2356-14 80dB的共模抑制比可消除地環路和共模噪聲。該ADC的待機功耗可降至4mW，這時內部2.5V基準保持有效，在休眠模式時功耗降至13uW，這時所有模擬電路都斷電。

對于單極性測量的應用噪聲，LTC2355-14測量0V至2.5V的輸入信號，除此之外，其它方面均與LTC2356-14相同。就較低分辨率應用而言，LTC2356-12和LTC2355-12是引腳和軟件都與LTC2356-14和LTC2355—14兼容的12位版本。

結語

PCB面積不斷縮小，設計師們又總是搜尋較低功率的IC，而快速數據采集成為了一個挑戰。凌力爾特公司的同時采樣ADC和快速單通道ADC系列使得優化解決方案尺寸、功率和成本成為可能。引腳和軟件都兼容的6通道、兩通道和單通道ADC系列為12位分辨率升級至14位分辨率提供了靈活性。