16位2.5 MSPS低功耗ADC——AD7985的全方位解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）作為模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的橋梁，其性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。今天，我們就來深入探討一款高性能的16位、2.5 MSPS的ADC——AD7985。

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一、AD7985概述

AD7985是一款采用逐次逼近架構(gòu)的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具備低功耗、高速、高精度等特點(diǎn)。它集成了低功耗、高速的16位采樣ADC、內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘、內(nèi)部參考（和緩沖器）、誤差校正電路以及多功能串行接口端口。該芯片采用20引腳、4mm×4mm的LFCSP封裝，工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C，適用于電池供電設(shè)備、通信、ATE、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和醫(yī)療儀器等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

二、技術(shù)特性分析

1. 高分辨率與無失碼

AD7985擁有16位分辨率，且無失碼現(xiàn)象，能夠提供精確的數(shù)字輸出。這意味著在信號(hào)轉(zhuǎn)換過程中，每一個(gè)模擬信號(hào)都能被準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字代碼，大大提高了系統(tǒng)的精度。

2. 靈活的吞吐量與低功耗

它具有兩種工作模式：Turbo模式和正常模式。在Turbo模式下（TURBO引腳為高電平），最高吞吐量可達(dá)2.5 MSPS；在正常模式下（TURBO引腳為低電平），最大吞吐量為2.0 MSPS。同時(shí)，其功耗與吞吐量成正比，在2.5 MSPS時(shí)，使用外部參考的功耗僅為15.5 mW，使用內(nèi)部參考時(shí)為28 mW，非常適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用。

3. 出色的精度指標(biāo)

• 積分非線性誤差（INL）：典型值為±0.7 LSB，最大值為±1.5 LSB，確保了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。
• 信噪比（SNR）：使用片上參考時(shí)為88.5 dB，使用外部參考時(shí)可達(dá)90 dB，能夠有效抑制噪聲干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。

  4. 偽差分模擬輸入

  AD7985的模擬輸入電壓范圍為0 V至VREF（VREF最高可達(dá)5.0 V），允許使用任意輸入范圍，并且可以對(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)。

三、工作原理與模式

1. 轉(zhuǎn)換器操作

AD7985基于電荷再分配DAC的逐次逼近型ADC。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?yōu)楦唠娖綍r(shí)，轉(zhuǎn)換階段開始。通過控制邏輯切換電容陣列的開關(guān)，使比較器重新平衡，最終生成ADC輸出代碼和忙信號(hào)指示。

2. 轉(zhuǎn)換模式

• Turbo模式：提供最快的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)2.5 MSPS，但首次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)無意義。在該模式下，ADC在轉(zhuǎn)換之間不會(huì)掉電。
• 正常模式：適用于對(duì)功耗要求較高、采樣速率稍低的應(yīng)用，最大轉(zhuǎn)換速率為2.0 MSPS，首次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)有意義，且ADC在轉(zhuǎn)換之間會(huì)掉電。

四、關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 模擬輸入設(shè)計(jì)

AD7985的模擬輸入結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)二極管，用于ESD保護(hù)。在設(shè)計(jì)時(shí)，要確保模擬輸入信號(hào)不超過參考輸入電壓0.3 V，以避免二極管導(dǎo)通。同時(shí)，輸入源阻抗對(duì)AC性能影響較大，尤其是THD，因此在選擇驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，要盡量降低源阻抗。

2. 驅(qū)動(dòng)放大器選擇

驅(qū)動(dòng)放大器的噪聲和THD性能會(huì)直接影響AD7985的性能。為了保持SNR和過渡噪聲性能，驅(qū)動(dòng)放大器產(chǎn)生的噪聲應(yīng)盡可能低。對(duì)于交流應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)放大器的THD性能要與AD7985相匹配。在多通道復(fù)用應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)放大器和AD7985的模擬輸入電路必須能夠在16位水平上對(duì)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AD8021、AD8022、ADA4899 - 1和AD8014等。

3. 電壓參考輸入

AD7985提供了多種參考選擇，包括內(nèi)部參考、外部1.2 V參考與內(nèi)部緩沖器以及外部參考。內(nèi)部參考具有良好的溫度補(bǔ)償性能，典型漂移為10 ppm/°C。使用外部參考時(shí)，可以提高SNR和動(dòng)態(tài)范圍，并節(jié)省功耗。無論選擇哪種參考，都需要對(duì)參考輸入進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ヱ睢?/p>

4. 電源供應(yīng)

AD7985有四個(gè)電源引腳：AVDD、BVDD、DVDD和VIO。VIO允許直接與1.8 V至2.7 V的邏輯電平接口。為了減少電源數(shù)量，VIO、DVDD和AVDD可以連接在一起。該芯片對(duì)電源變化不敏感，并且在正常模式下，會(huì)在每個(gè)轉(zhuǎn)換階段結(jié)束時(shí)自動(dòng)掉電，功耗與采樣速率成正比。

5. 數(shù)字接口

AD7985提供了靈活的串行接口模式，包括CS模式和鏈模式。CS模式下，可選擇3線或4線接口；鏈模式下，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)ADC的級(jí)聯(lián)。在設(shè)計(jì)時(shí)，要注意數(shù)字活動(dòng)的時(shí)間，避免在不安全的數(shù)據(jù)讀取時(shí)間進(jìn)行操作，以防止轉(zhuǎn)換結(jié)果出錯(cuò)。

五、數(shù)據(jù)讀取選項(xiàng)

AD7985有三種數(shù)據(jù)讀取選項(xiàng)：轉(zhuǎn)換期間讀取、跨采集和轉(zhuǎn)換階段分割讀取以及采集期間讀取。選擇哪種讀取選項(xiàng)主要取決于所需的SCK頻率。在轉(zhuǎn)換期間讀取時(shí)，主機(jī)需要使用快速的SCK；分割讀取可以允許較慢的SCK；采集期間讀取在正常模式下可實(shí)現(xiàn)最大吞吐量，但在Turbo模式下無法達(dá)到2.5 MSPS。

六、應(yīng)用與布局建議

1. 應(yīng)用領(lǐng)域

AD7985適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景，如電池供電設(shè)備、通信、ATE、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和醫(yī)療儀器等。其低功耗和高分辨率的特點(diǎn)使其在這些領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2. 布局建議

在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，要將模擬和數(shù)字部分分開，并將它們限制在電路板的特定區(qū)域。避免在器件下方鋪設(shè)數(shù)字線路，防止噪聲耦合到芯片上。至少使用一個(gè)接地平面，可以是公共的或在數(shù)字和模擬部分之間分割。同時(shí)，要對(duì)電壓參考輸入和電源進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ヱ?，以減少噪聲干擾。

綜上所述，AD7985是一款性能出色的16位ADC，具有高分辨率、低功耗、靈活的接口模式等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇驅(qū)動(dòng)放大器、電壓參考和數(shù)據(jù)讀取方式，并注意PCB布局，以充分發(fā)揮AD7985的性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用AD7985的過程中，有沒有遇到過什么問題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。