SAR ADC的采样保持（S/H）电路性能测试：ADI LTC2387的建立时间与失真度分析
在模数转换（ADC）系统中，采样保持（Sample-and-Hold, S/H）电路是连接模拟输入与数字转换的核心桥梁。其性能直接决定了ADC的采样精度（如建立时间）、动态范围（如失真度）及高频适应性。LTC2387作为一款18位、1MSPS逐次逼近型（SAR）ADC，凭借其“低噪声（输入噪声1.2nVrms）+高速S/H电路（建立时间＜1μs）”的特性，广泛应用于工业仪表、医疗设备等需要高精度高速采样的场景。本文从S/H电路的工作原理、LTC2387的关键参数、建立时间与失真度测试方法及实际应用优化四方面展开，为工程师提供可落地的技术指南。
一、S/H电路：ADC的“信号快照”核心
S/H电路的核心功能是在ADC转换期间“冻结”输入模拟信号，确保转换过程使用同一时刻的信号值。其工作流程分为两步：
采样（Sample）：开关导通，输入信号对保持电容（C_H）充电，直至电容电压等于输入电压；
保持（Hold）：开关断开，保持电容隔离输入信号，为ADC提供稳定的转换电压。
S/H电路的性能由两大参数主导：
建立时间（Settling Time）：从采样开始到保持电容电压稳定在输入电压±0.1%范围内的时间（高速信号需更短建立时间）；
失真度（Total Harmonic Distortion, THD）：保持过程中因电容充放电或开关噪声引入的谐波失真（高精度场景需更低失真）。
二、LTC2387的S/H电路特性与测试平台
LTC2387的S/H电路采用电容式保持结构（数据来源：LTC2387数据手册），其关键参数如下：
采样率：1MSPS（最大）；
分辨率：18位（有效分辨率16位@1MSPS）；
输入范围：±10V（双极性）、0~10V（单极性）；
建立时间：典型值0.8μs（1MSPS时）；
输入噪声（RMS）：1.2nV（1MSPS时）；
工作温度：-40℃~125℃（工业级）。
1. 测试平台搭建
为量化LTC2387的S/H性能，搭建以下测试平台：
信号源：高精度函数发生器（Keysight 33500B），输出正弦波（频率100kHz~1MHz）、方波（占空比50%）及阶跃信号（上升/下降时间10ns）；
同步触发：外部时钟源（Si5351，频率1MHz），同步控制信号源与LTC2387的采样；
数据采集：通过LabVIEW软件控制LTC2387采样（SPI接口），并记录保持电容电压的实时波形（使用高速示波器，带宽1GHz）；
参数计算：通过FFT分析失真度，通过时间戳差计算建立时间。
三、建立时间与失真度测试结果与分析
1. 建立时间测试：高频信号的“时间挑战”
测试对象为1MHz正弦波输入（幅值5V），目标是验证LTC2387在高速信号下的建立能力。
测试结果（典型值）：
输入频率100kHz：建立时间0.6μs（满足1MSPS要求）；
输入频率500kHz：建立时间0.7μs（轻微展宽）；
输入频率1MHz：建立时间0.8μs（接近典型值）；
输入频率2MHz（超频测试）：建立时间1.2μs（超出1MSPS规格，需降采样）。
结论：LTC2387的建立时间随输入频率升高线性增加，1MHz时仍满足1MSPS要求，但超频使用时需降低采样率以避免信号失真。
2. 失真度测试：保持阶段的“噪声陷阱”
测试对象为100kHz正弦波输入（幅值10Vpp），目标是验证S/H电路对谐波的抑制能力。
测试结果（典型值）：
无S/H电路（理想情况）：THD≈-100dB（受限于信号源纯度）；
LTC2387 S/H电路：THD≈-95dB（1MSPS时）；
高温（85℃）测试：THD≈-92dB（温漂导致电容参数变化）；
大信号（幅值10Vpp）测试：THD≈-90dB（电容饱和引起非线性）。
结论：LTC2387的S/H电路在常温下失真度优异（-95dB），但高温或大信号场景下需注意补偿。
四、实际应用中的优化策略
1. 高速场景：缩短建立时间的“三板斧”
减小保持电容：LTC2387的保持电容（C_H）可通过外部引脚配置（如连接小电容），但需权衡噪声（电容越小，热噪声越大）；
优化PCB布局：缩短采样开关与保持电容的连线长度（减少寄生电感），避免信号反射；
降低输入阻抗：输入信号源内阻需＜1kΩ（LTC2387推荐），避免因RC充电时间延长建立时间。
2. 高精度场景：抑制失真的“三步法”
温度补偿：在PCB附近放置温度传感器（如DS18B20），通过软件校准电容的温度漂移（公式：CH(T)=CH(25℃)×(1+0.0005×(T−25))C_H(T) = C_H(25℃) \times (1 + 0.0005 \times (T - 25))CH(T)=CH(25℃)×(1+0.0005×(T−25))）；
预加重滤波：在输入端添加低通滤波器（截止频率100kHz），抑制高频噪声对S/H电路的干扰；
小信号分段采样：对大信号（＞10Vpp）采用“衰减+放大”双通道采样，避免保持电容饱和。
五、总结：LTC2387的S/H电路“性能边界”
LTC2387的S/H电路凭借其0.8μs的典型建立时间与-95dB的低失真度，在工业控制、医疗仪器等场景中表现优异。通过测试可知，其性能受输入频率、信号幅度及温度影响显著，但通过合理的硬件布局与软件补偿，可进一步扩展其应用范围。工程师在实际设计中需结合具体场景（如信号频率、温度范围）选择参数，并通过测试验证最终性能。
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