探索AD7915/AD7916：高性能16位ADC的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）就像是一座橋梁，連接著模擬世界與數(shù)字世界。今天要介紹的AD7915/AD7916這兩款16位ADC，憑借其出色的性能和豐富的特性，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

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特性亮點(diǎn)

高性能表現(xiàn)

AD7915/AD7916的模擬輸入范圍十分出色，擁有真正的差分輸入范圍：±V (+VREF) ，并且能在0 V到 (VREF) （ (VREF) 介于2.5 V至5 V之間）的區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定工作。其吞吐量有1 MSPS/500 kSPS兩種選擇，能滿足不同應(yīng)用對(duì)采樣速度的要求。同時(shí)，采用零延遲架構(gòu)，具備16位分辨率且無失碼現(xiàn)象，INL（積分非線性誤差）典型值為±0.4 LSB，最大值為±1 LSB。在動(dòng)態(tài)范圍方面，當(dāng) (V{REF}=5 ~V) 時(shí)可達(dá)95.5 dB，在 (f{I N}=1 kHz) 、 (V_{REF}=5 ~V) 的條件下，SNR（信噪比）為94 dB，THD（總諧波失真）為?118.5 dB，SINAD（信噪失真比）為93.5 dB。這些參數(shù)表明，AD7915/AD7916在性能上表現(xiàn)卓越，能夠精確地完成模數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。

低功耗優(yōu)勢(shì)

對(duì)于很多電子設(shè)備，尤其是電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景，低功耗是至關(guān)重要的指標(biāo)。AD7915/AD7916在這方面表現(xiàn)出色，它們采用單電源2.5 V供電，搭配1.8 V/2.5 V/3 V/5 V的邏輯接口。AD7915在1 MSPS采樣率下，僅VDD功耗為4 mW，總功耗為7 mW；AD7916在500 kSPS采樣率下，僅VDD功耗為2 mW，總功耗為3.7 mW，在10 kSPS采樣率下功耗低至70 μW。如此低的功耗設(shè)計(jì)，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，降低了能源消耗。

靈活的接口與封裝

AD7915/AD7916擁有專有的串行接口，與SPI - /QSPI - /MICROWIRE? - /DSP兼容，方便與各種數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行連接。在封裝方面，提供10引腳的MSOP和3 mm × 3 mm的LFCSP兩種選擇，能夠適應(yīng)不同的電路板空間需求。此外，其工作溫度范圍為?40°C至+125°C，可在較為惡劣的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。

規(guī)格參數(shù)解析

基本性能參數(shù)

在分辨率上，AD7915/AD7916均為16位，保證了較高的轉(zhuǎn)換精度。模擬輸入電壓范圍方面，IN+ - IN - 的絕對(duì)輸入電壓范圍為?V REF - 0.1至+V REF，IN+和IN - 的上限為V REF + 0.1 V。在精度方面，無失碼現(xiàn)象，DNL（差分非線性誤差）在 (V{REF}=5 ~V) 時(shí)為±0.4 LSB，在 (V{REF}=2.5 ~V) 時(shí)為±0.5 LSB；INL在 (V{REF}=5 ~V) 時(shí)為±0.4 LSB，在 (V{REF}=2.5 ~V) 時(shí)為±0.5 LSB。這些精度指標(biāo)確保了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。

吞吐量與動(dòng)態(tài)性能

吞吐量方面，當(dāng)VIO > 2.3 V時(shí)，AD7915可達(dá)1 MSPS，AD7916為500 kSPS；當(dāng)VIO ≤ 2.3 V時(shí)，AD7915為833 kSPS，AD7916仍為500 kSPS。在動(dòng)態(tài)性能上，動(dòng)態(tài)范圍在 (V{REF}=5 ~V) 時(shí)為95.5 dB，在 (V{REF}=2.5 ~V) 時(shí)為92 dB；在 (f{I N}=1 kHz) 、 (V{REF}=5 ~V) 的條件下，SNR為94 dB，THD為?118.5 dB，SINAD為93.5 dB。這些參數(shù)體現(xiàn)了AD7915/AD7916在不同工作條件下的穩(wěn)定表現(xiàn)。

電源與接口參數(shù)

電源方面，VDD范圍為2.375至2.625 V，VIO范圍為1.71至5.5 V。在不同的工作模式和采樣率下，功耗表現(xiàn)不同。數(shù)字接口方面，邏輯電平根據(jù)VIO的不同而有所變化，數(shù)據(jù)格式為串行、16位、二進(jìn)制補(bǔ)碼，轉(zhuǎn)換結(jié)果可在轉(zhuǎn)換完成后立即獲得。

工作原理與電路設(shè)計(jì)

理論基礎(chǔ)

AD7915/AD7916采用逐次逼近型架構(gòu)，基于電荷再分配DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）工作。其電容式DAC由兩個(gè)相同的18個(gè)二進(jìn)制加權(quán)電容陣列組成，連接到比較器的兩個(gè)輸入端。在采集階段，電容陣列作為采樣電容，采集IN+和IN - 輸入的模擬信號(hào)。當(dāng)采集階段完成且CNV輸入變高時(shí)，轉(zhuǎn)換階段開始。通過控制邏輯切換電容陣列的開關(guān)，使比較器輸入以二進(jìn)制加權(quán)的電壓步長(zhǎng)變化，最終完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。

電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 模擬輸入：模擬輸入結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)二極管D1和D2提供ESD保護(hù)，可對(duì)IN+和IN - 之間的真實(shí)差分信號(hào)進(jìn)行采樣，有效抑制共模信號(hào)。在采集階段，輸入阻抗可建模為電容CPIN與 (R{IN}) 和 (C{IN}) 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)組合，形成一個(gè)單極點(diǎn)低通濾波器，減少混疊效應(yīng)和噪聲。驅(qū)動(dòng)電路的源阻抗對(duì)AC性能影響較大，特別是THD，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的源阻抗。
• 驅(qū)動(dòng)放大器選擇：驅(qū)動(dòng)放大器的噪聲要盡可能低，以保證AD7915/AD7916的SNR和轉(zhuǎn)換噪聲性能。對(duì)于AC應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)放大器的THD性能要與AD7915/AD7916相匹配。在多通道、多路復(fù)用應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)放大器和AD7915/AD7916的模擬輸入電路要能在16位水平上對(duì)電容陣列的滿量程階躍進(jìn)行穩(wěn)定響應(yīng)。推薦的驅(qū)動(dòng)放大器有ADA4805 - 1 / ADA4805 - 2、ADA4807 - 1 / ADA4807 - 2等，可根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。
• 單端轉(zhuǎn)差分驅(qū)動(dòng)：對(duì)于使用單端模擬信號(hào)的應(yīng)用，可采用ADA4941 - 1單端轉(zhuǎn)差分驅(qū)動(dòng)，使設(shè)備能夠接收差分輸入。通過合理選擇電阻R1、R2、R3、R4、R5和R6等參數(shù)，可設(shè)置輸入范圍與ADC范圍的衰減比以及IN - 和IN+的共模電壓。
• 電壓參考輸入：AD7915/AD7916的電壓參考輸入REF具有動(dòng)態(tài)輸入阻抗，需由低阻抗源驅(qū)動(dòng)，并在REF和GND引腳之間進(jìn)行有效去耦。當(dāng)REF由極低阻抗源驅(qū)動(dòng)時(shí)，使用10 μF（X5R，0805尺寸）陶瓷片式電容可獲得最佳性能；若使用未緩沖的參考電壓，去耦電容值需根據(jù)參考源而定。
• 電源供應(yīng)：采用兩個(gè)電源引腳，即核心電源VDD和數(shù)字輸入/輸出接口電源VIO。VIO可直接與1.8 V至5.5 V的任何邏輯接口相連。為減少電源數(shù)量，VIO和VDD可連接在一起。當(dāng)VIO ≥ VDD時(shí)，AD7915/AD7916對(duì)電源順序不敏感；若VIO < VDD，則需先施加VIO。此外，它們?cè)谳^寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)電源變化不敏感。
• 數(shù)字接口：AD7915/AD7916的串行接口模式靈活，有CS模式和鏈模式兩種。CS模式下，可使用3線或4線接口，適用于與SPI兼容的數(shù)字主機(jī)連接。鏈模式可通過SDI輸入實(shí)現(xiàn)多個(gè)ADC的菊花鏈連接，減少組件數(shù)量和布線連接，適用于隔離多轉(zhuǎn)換器應(yīng)用或接口能力有限的系統(tǒng)。在兩種模式下，還可選擇在數(shù)據(jù)位前設(shè)置起始位作為忙信號(hào)指示器，方便觸發(fā)數(shù)據(jù)讀取。

典型應(yīng)用與布局建議

應(yīng)用場(chǎng)景

AD7915/AD7916適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域，如自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、醫(yī)療儀器和機(jī)器自動(dòng)化等。在這些應(yīng)用中，其高性能和低功耗特性能夠滿足對(duì)數(shù)據(jù)采集精度和能源效率的要求。

與Blackfin DSP的接口

可以輕松連接到Blackfin? DSP的SPI或SPORT接口。SPI配置簡(jiǎn)單，直接使用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口即可。SPORT接口可利用DMA（直接內(nèi)存訪問）功能，并提供由硬件計(jì)數(shù)器生成的低抖動(dòng)CNV信號(hào)，但可能需要一些膠合邏輯來實(shí)現(xiàn)接口連接。

布局要點(diǎn)

在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，要將模擬和數(shù)字部分分開，分別布局在電路板的特定區(qū)域。避免在器件下方鋪設(shè)數(shù)字線路，若需鋪設(shè)，可使用接地平面作為屏蔽。不要讓快速切換信號(hào)（如CNV或時(shí)鐘）靠近模擬信號(hào)路徑，避免數(shù)字和模擬信號(hào)交叉。建議使用至少一個(gè)接地平面，可采用共用或分割的方式，若分割，需在AD7915/AD7916器件下方連接。對(duì)REF引腳進(jìn)行去耦時(shí)，要使用陶瓷電容，并將其放置在靠近REF和GND引腳的位置，用寬的低阻抗走線連接。對(duì)VDD和VIO電源進(jìn)行去耦時(shí)，使用100 nF的陶瓷電容，放置在靠近AD7915/AD7916的位置，用短而寬的走線連接，以降低電源線上的干擾。

總結(jié)

AD7915/AD7916作為高性能的16位ADC，在性能、功耗、接口和封裝等方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。其豐富的特性和靈活的設(shè)計(jì)，使其能夠廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇驅(qū)動(dòng)放大器、設(shè)置電壓參考和電源供應(yīng)，并注意PCB布局要點(diǎn)，以充分發(fā)揮AD7915/AD7916的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用ADC過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。