高精度、低功耗20位差分SAR ADC——AD4020/AD4021/AD4022深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度、高速且低功耗的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）一直是工程師們追求的目標(biāo)。今天，我們就來(lái)深入探討Analog Devices公司推出的AD4020/AD4021/AD4022系列20位差分SAR ADC，看看它們?cè)谛阅?、特性和?yīng)用方面有哪些獨(dú)特之處。

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產(chǎn)品概述

AD4020/AD4021/AD4022是一系列高精度、高速、低功耗的20位逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它們采用單電源供電（VDD），參考電壓VREF可外部施加，且能獨(dú)立于電源電壓設(shè)置。該系列ADC的功耗隨吞吐量線性變化，具有多種吞吐量選項(xiàng)，AD4020可達(dá)1.8 MSPS，AD4021為1 MSPS，AD4022為500 kSPS。

主要特性

易于驅(qū)動(dòng)

• 降低輸入反沖：大大減少了輸入反沖，將輸入電流降低至0.5 μA/MSPS，在1 MSPS時(shí)，采集階段占周期時(shí)間的比例≥77%。
• 首次轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確：無(wú)延遲或流水線延遲，確保了數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。
• 輸入范圍壓縮：適用于單電源操作，無(wú)需為ADC驅(qū)動(dòng)放大器提供負(fù)電源，同時(shí)能保留完整的ADC代碼范圍。
• 輸入過(guò)壓鉗位保護(hù)：可吸收高達(dá)50 mA的電流，保護(hù)ADC輸入免受過(guò)壓事件的影響，減少對(duì)參考引腳的干擾，無(wú)需外部保護(hù)二極管。
• 快速轉(zhuǎn)換：允許使用較低的SPI時(shí)鐘速率，降低數(shù)字輸入/輸出功耗，拓寬數(shù)字主機(jī)選項(xiàng)，簡(jiǎn)化跨數(shù)字隔離傳輸數(shù)據(jù)的任務(wù)。

高性能

• 差分模擬輸入范圍廣：±VREF，VREF范圍為2.4 V至5.1 V。
• 高分辨率：保證20位分辨率，無(wú)丟失碼。
• 出色的動(dòng)態(tài)性能：在fIN = 1 kHz、VREF = 5 V時(shí)，SNR可達(dá)100.5 dB，THD為 -123 dB；在fIN = 900 kHz時(shí)，SINAD為89 dB。
• 過(guò)采樣動(dòng)態(tài)范圍大：OSR = 2時(shí)為104 dB，OSR = 1024時(shí)為131 dB。

低功耗

• 單1.8 V電源供電：邏輯接口電壓范圍為1.71 V至5.5 V。
• 功耗隨吞吐量線性變化：500 kSPS時(shí)功耗為2.7 mW（僅VDD），10 kSPS時(shí)為83 μW，1.8 MSPS時(shí)為15 mW（總功耗）。

其他特性

• 封裝形式多樣：提供10引腳的3 mm × 3 mm LFCSP和3 mm × 4.90 mm MSOP封裝。
• 引腳兼容：與AD4003/AD4007/AD4011系列引腳兼容。
• 寬工作溫度范圍：保證在 -40°C至 +125°C的溫度范圍內(nèi)正常工作。

技術(shù)參數(shù)詳解

分辨率與輸入特性

• 分辨率：20位，確保了高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
• 模擬輸入電壓范圍：±VREF，支持輸入范圍壓縮功能，可在單電源系統(tǒng)中靈活應(yīng)用。
• 共模輸入范圍：VREF/2 - 0.125 V至VREF/2 + 0.125 V，具有良好的共模抑制能力。

吞吐量與轉(zhuǎn)換時(shí)間

• 吞吐量：AD4020為1.8 MSPS，AD4021為1 MSPS，AD4022為500 kSPS。
• 轉(zhuǎn)換時(shí)間：典型值為320 ns，采集階段時(shí)間根據(jù)不同型號(hào)有所不同。

直流與交流精度

• 直流精度：無(wú)丟失碼，積分非線性誤差（INL）最大為±3.1 ppm，差分非線性誤差（DNL）為 -0.5至 +0.5 LSB。
• 交流精度：動(dòng)態(tài)范圍為101 dB，過(guò)采樣動(dòng)態(tài)范圍隨過(guò)采樣比（OSR）增加而增大。

參考電壓與輸入過(guò)壓鉗位

• 參考電壓范圍：2.4 V至5.1 V，不同型號(hào)在不同吞吐量下的參考電流有所差異。
• 輸入過(guò)壓鉗位：可吸收50 mA電流，保護(hù)ADC輸入。

數(shù)字輸入輸出與電源

• 數(shù)字輸入輸出：邏輯電平兼容多種電壓，輸入輸出電流較小，輸入引腳電容為6 pF。
• 電源：VDD范圍為1.71 V至1.89 V，VIO范圍為1.71 V至5.5 V，待機(jī)電流小，功耗隨吞吐量線性變化。

工作原理

AD4020/AD4021/AD4022基于SAR架構(gòu)，采用電荷再分配采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。在采集階段，電容陣列作為采樣電容獲取模擬信號(hào)；轉(zhuǎn)換階段，通過(guò)開(kāi)關(guān)切換電容陣列，使比較器輸入達(dá)到平衡，最終生成ADC輸出代碼。該系列ADC具有片上轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，串行時(shí)鐘SCK無(wú)需用于轉(zhuǎn)換過(guò)程。

應(yīng)用場(chǎng)景

自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備

高精度和高速度的特性使其能夠準(zhǔn)確采集測(cè)試信號(hào)，滿足自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)精度和采集速度的要求。

機(jī)器自動(dòng)化

在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地采集傳感器數(shù)據(jù)，為控制系統(tǒng)提供可靠的輸入。

醫(yī)療設(shè)備

低功耗和高精度的特點(diǎn)使其適用于醫(yī)療設(shè)備，如心電圖機(jī)、血糖儀等，確保醫(yī)療數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

電池供電設(shè)備

低功耗特性延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間，適用于便攜式設(shè)備。

精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

高精度的轉(zhuǎn)換能力保證了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，為數(shù)據(jù)分析提供可靠的基礎(chǔ)。

儀器儀表與控制系統(tǒng)

在儀器儀表和控制系統(tǒng)中，能夠準(zhǔn)確采集和處理信號(hào)，實(shí)現(xiàn)精確的控制和監(jiān)測(cè)。

驅(qū)動(dòng)放大器選擇與電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)放大器選擇

雖然AD4020/AD4021/AD4022易于驅(qū)動(dòng)，但驅(qū)動(dòng)放大器需滿足一定要求。例如，噪聲要低，以保證ADC的SNR和過(guò)渡噪聲性能；對(duì)于交流應(yīng)用，THD性能要與ADC匹配；對(duì)于多通道復(fù)用應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)放大器和ADC模擬輸入電路需在20位水平上完成滿量程階躍的建立。可使用Precision ADC Driver Tool來(lái)模擬建立行為和估計(jì)交流性能。

電路設(shè)計(jì)

• 模擬輸入電路：具有過(guò)壓鉗位功能，可保護(hù)ADC輸入。外部RC濾波器可限制輸入信號(hào)帶寬，REXT電阻在過(guò)壓事件中起到保護(hù)作用。
• 單端轉(zhuǎn)差分驅(qū)動(dòng)：對(duì)于單端模擬信號(hào)應(yīng)用，可使用全差分放大器將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。
• 高頻輸入信號(hào)：在寬輸入頻率范圍內(nèi)保持出色的交流性能，輸入頻率受采樣率的奈奎斯特頻率限制。

數(shù)字接口與配置

數(shù)字接口模式

支持SPI、QSPI和MICROWIRE等數(shù)字主機(jī)和DSP，具有3線和4線接口模式，可選擇是否啟用忙信號(hào)指示。還支持菊花鏈模式，可通過(guò)單個(gè)SPI總線讀取多個(gè)ADC的結(jié)果。

配置寄存器

通過(guò)16位SPI指令對(duì)8位配置寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，可控制狀態(tài)位、輸入范圍壓縮、高阻模式和渦輪模式等功能的啟用或禁用。

渦輪模式

渦輪模式可延長(zhǎng)時(shí)鐘輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果的時(shí)間，允許使用較低的SPI時(shí)鐘速率。AD4020在渦輪模式啟用且SCK頻率至少為71 MHz時(shí)，可實(shí)現(xiàn)1.8 MSPS的吞吐量。

布局與評(píng)估

布局指南

PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將模擬和數(shù)字部分物理分離，避免數(shù)字線路在器件下方布線，使用至少一個(gè)接地平面，對(duì)REF、VDD和VIO引腳進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ヱ钐幚怼?/p>

性能評(píng)估

可使用EVAL-AD4020FMCZ評(píng)估板評(píng)估AD4020/AD4021/AD4022的性能，通過(guò)軟件設(shè)置不同的吞吐量進(jìn)行測(cè)試。

總結(jié)

AD4020/AD4021/AD4022系列ADC以其高精度、高速、低功耗和易于驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可根據(jù)具體需求選擇合適的型號(hào)和配置，合理設(shè)計(jì)電路和布局，以充分發(fā)揮該系列ADC的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用這類ADC時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。