16位低功耗PulSAR ADC：AD7988-1/AD7988-5的技術(shù)剖析與應(yīng)用指南

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是至關(guān)重要的組件，它負(fù)責(zé)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。今天我們要深入探討的是ADI公司的兩款16位低功耗PulSAR ADC：AD7988 - 1和AD7988 - 5，它們?cè)谛阅?、功耗?a target="_blank">接口等方面都有著出色的表現(xiàn)。

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產(chǎn)品概述

AD7988 - 1/AD7988 - 5是單電源供電的16位逐次逼近型ADC。AD7988 - 1的吞吐量為100 kSPS，AD7988 - 5則達(dá)到了500 kSPS。它們具有低功耗特性，在不同的采樣率下都能保持較低的功耗，非常適合電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)，這兩款A(yù)DC擁有一個(gè)多功能的串行接口端口，方便與其他數(shù)字設(shè)備進(jìn)行連接。

關(guān)鍵特性

高性能表現(xiàn)

• 輸入范圍與分辨率：偽差分模擬輸入范圍為0V到 (V{REF})，其中 (V{REF}) 可在2.5V到5.0V之間設(shè)置，具備16位分辨率且無失碼現(xiàn)象。
• 線性度與動(dòng)態(tài)范圍：典型積分非線性（INL）為±0.6 LSB，最大±1.25 LSB；當(dāng) (V_{REF}=5V) 時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)92 dB。
• AC性能指標(biāo)：在 (f{IN}=10kHz)、(V{REF}=5V) 的條件下，信噪比（SNR）為91.5 dB，總諧波失真（THD）為 - 114 dB，信號(hào)與噪聲加失真比（SINAD）為91 dB。

低功耗優(yōu)勢(shì)

采用單電源2.5V供電，搭配1.8V/2.5V/3V/5V邏輯接口。AD7988 - 1在100 kSPS時(shí)，僅電源（VDD）功耗為400 μW，總功耗700 μW；AD7988 - 5在500 kSPS時(shí)，VDD功耗為2 mW，總功耗3.5 mW，在10 kSPS時(shí)總功耗僅70 μW。

接口靈活性

支持SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP兼容的串行接口，可實(shí)現(xiàn)3線或4線接口模式，還具備菊花鏈功能，方便多個(gè)ADC級(jí)聯(lián)使用。

寬工作溫度范圍

能夠在 - 40°C到 + 125°C的溫度范圍內(nèi)正常工作，適應(yīng)各種惡劣的工業(yè)和汽車環(huán)境。

技術(shù)規(guī)格詳解

輸入?yún)?shù)

• 模擬輸入：輸入電壓范圍為0到 (V{REF})，絕對(duì)輸入電壓IN + 為 - 0.1到 (V{REF}+0.1V)，IN - 為 - 0.1到 + 0.1V。在25°C采集階段，泄漏電流僅為1 nA。輸入阻抗在采集階段可等效為電容 (C{PIN}) 與 (R{IN}) 和 (C{IN}) 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)組合，其中 (R{IN}) 典型值為400 Ω，(C_{IN}) 典型值為30 pF。
• 參考電壓輸入：REF輸入具有動(dòng)態(tài)輸入阻抗，需由低阻抗源驅(qū)動(dòng)，并在REF和GND引腳間進(jìn)行有效去耦。使用不同的參考源時(shí)，去耦電容的選擇也有所不同。

精度參數(shù)

• 線性誤差：差分線性誤差（DNL）和積分線性誤差（INL）在不同 (V{REF}) 下有不同的指標(biāo)，如 (V{REF}=5V) 時(shí)，DNL為±0.4 LSB，INL為±0.6 LSB。
• 增益和零點(diǎn)誤差：增益誤差在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為±2 LSB，增益誤差溫度漂移為±0.35 ppm/°C；零點(diǎn)誤差在整個(gè)溫度范圍內(nèi)為 - 0.5到 + 0.5 mV，零點(diǎn)溫度漂移為0.54 ppm/°C。

吞吐量參數(shù)

AD7988 - 1的轉(zhuǎn)換速率為100 kSPS，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間為500 ns；AD7988 - 5的轉(zhuǎn)換速率為500 kSPS，B級(jí)瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間為1.6 μs，C級(jí)為1.2 μs。

工作原理

AD7988 - 1/AD7988 - 5基于電荷再分配DAC的逐次逼近型架構(gòu)。在采集階段，電容陣列連接到模擬輸入，采集輸入信號(hào)；當(dāng)CNV輸入變高，轉(zhuǎn)換階段開始，通過開關(guān)切換電容陣列與REF和GND的連接，使比較器達(dá)到平衡狀態(tài)，最終生成ADC輸出代碼。

應(yīng)用領(lǐng)域

• 自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備：高精度和高吞吐量的特性使其能夠滿足自動(dòng)化測(cè)試中對(duì)快速、準(zhǔn)確數(shù)據(jù)采集的需求。
• 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：低功耗和寬工作溫度范圍適合長(zhǎng)期、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。
• 醫(yī)療儀器：高精度和低噪聲性能保證了醫(yī)療設(shè)備中對(duì)生物信號(hào)采集的準(zhǔn)確性。
• 機(jī)器自動(dòng)化：快速的轉(zhuǎn)換速度和靈活的接口模式可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備。

電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

模擬輸入

模擬輸入使用兩個(gè)二極管提供ESD保護(hù)，需注意輸入信號(hào)不要超過電源軌0.3V。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路源阻抗較低時(shí)，可直接驅(qū)動(dòng)ADC；源阻抗較大時(shí)，會(huì)影響交流性能，特別是THD。

驅(qū)動(dòng)放大器選擇

驅(qū)動(dòng)放大器的噪聲要盡量低，以保證ADC的SNR和轉(zhuǎn)換噪聲性能。對(duì)于交流應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)放大器的THD性能要與ADC相匹配。在多通道復(fù)用應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)放大器和ADC模擬輸入電路需在16位精度下快速完成滿量程階躍響應(yīng)。推薦的驅(qū)動(dòng)放大器有ADA4805 - 1、ADA4807 - 1等。

電源供應(yīng)

使用兩個(gè)電源引腳，VDD為核心電源，VIO為數(shù)字輸入/輸出接口電源。VIO可與任何1.8V到5.0V的邏輯直接接口，為減少電源數(shù)量，可將VIO和VDD連接在一起。當(dāng)VIO≥VDD時(shí)，對(duì)電源順序不敏感；當(dāng)VIO < VDD時(shí)，需先施加VIO。

數(shù)字接口

提供三種接口模式：3線CS模式、4線CS模式和菊花鏈模式。不同模式適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，如3線CS模式適用于單個(gè)ADC連接到SPI主機(jī)，菊花鏈模式適用于多個(gè)ADC級(jí)聯(lián)。

布局注意事項(xiàng)

• 分區(qū)設(shè)計(jì)：將模擬和數(shù)字部分分開，AD7988 - 1/AD7988 - 5的引腳排列有助于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
• 避免干擾：避免在器件下方鋪設(shè)數(shù)字線路，防止噪聲耦合到芯片上；快速切換信號(hào)不要靠近模擬信號(hào)路徑，避免數(shù)字和模擬信號(hào)交叉。
• 接地設(shè)計(jì)：建議使用至少一個(gè)接地平面，可采用公共接地或數(shù)字和模擬部分分開接地，在ADC下方連接兩個(gè)接地平面。
• 去耦處理：對(duì)REF、VDD和VIO進(jìn)行去耦處理，使用陶瓷電容器并通過短而寬的走線連接，以減少電源線上的干擾。

總結(jié)

AD7988 - 1/AD7988 - 5以其高性能、低功耗和靈活的接口等優(yōu)點(diǎn)，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，只要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇接口模式、驅(qū)動(dòng)放大器和進(jìn)行PCB布局，就能充分發(fā)揮這兩款A(yù)DC的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。你在使用類似ADC時(shí)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)。