AD7150：超低功耗電容式接近感應(yīng)轉(zhuǎn)換器的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)于接近感應(yīng)應(yīng)用，一款性能出色的電容式轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下Analog Devices推出的AD7150，一款超低功耗的2通道電容式轉(zhuǎn)換器。

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一、產(chǎn)品概述

AD7150為電容式接近傳感器提供了完整的信號(hào)處理解決方案，其核心是一個(gè)超低功耗且響應(yīng)時(shí)間快速的轉(zhuǎn)換器。與之相對(duì)的，AD7151是單通道、低功耗的替代產(chǎn)品。

AD7150采用了ADI的電容 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）技術(shù)，具備高輸入靈敏度，并且對(duì)輸入寄生接地電容和泄漏電流有很高的容忍度，這使得它在與實(shí)際傳感器接口時(shí)表現(xiàn)出色。同時(shí)，其集成的自適應(yīng)閾值算法能夠補(bǔ)償由于環(huán)境因素（如濕度、溫度）或介電材料隨時(shí)間變化而導(dǎo)致的傳感器電容變化。

二、產(chǎn)品特性

2.1 電源與功耗

AD7150的工作電源電壓范圍為2.7V至3.6V，典型電流僅100μA，響應(yīng)時(shí)間為10ms，非常適合對(duì)功耗要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2 輸入通道與電容范圍

它擁有2個(gè)獨(dú)立的電容輸入通道，傳感器電容（CSENS）范圍從0pF到13pF，靈敏度可達(dá)1fF，并且經(jīng)過了EMC測(cè)試，確保在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

2.3 工作模式

AD7150有兩種工作模式：一種是使用固定上電設(shè)置的獨(dú)立模式，通過兩個(gè)數(shù)字輸出指示檢測(cè)結(jié)果；另一種是通過串行接口與微控制器連接，用戶可以自定義設(shè)置內(nèi)部寄存器，并讀取數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

2.4 輸出與接口

具備2個(gè)接近檢測(cè)輸出標(biāo)志，采用2線串行接口（I2C兼容），工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，封裝為10引腳MSOP。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

AD7150的應(yīng)用十分廣泛，包括接近感應(yīng)、非接觸式開關(guān)、位置檢測(cè)和液位檢測(cè)等領(lǐng)域。

四、技術(shù)細(xì)節(jié)

4.1 電容 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（CDC）

AD7150的核心CDC由二階sigma delta（Σ - Δ）電荷平衡調(diào)制器和三階數(shù)字濾波器組成。測(cè)量電容 (C{x}) 連接在激勵(lì)源和Σ - Δ調(diào)制器輸入之間，激勵(lì)信號(hào)在轉(zhuǎn)換期間施加到 (C{x}) 上，調(diào)制器連續(xù)采樣通過 (C_{x}) 的電荷。數(shù)字濾波器處理調(diào)制器輸出的0和1數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過自適應(yīng)閾值引擎和輸出比較器處理，也可以通過串行接口讀取。

4.2 CAPDAC

CDC的最大滿量程輸入范圍為4pF，但通過可編程的片上CAPDAC，可以平衡高達(dá)10pF的偏移（非變化分量）電容。CAPDAC可理解為內(nèi)部連接到CIN引腳的負(fù)電容，具有6位分辨率和單調(diào)傳遞函數(shù)。

4.3 自適應(yīng)閾值

在自適應(yīng)閾值模式下，AD7150可以動(dòng)態(tài)調(diào)整CAPDAC，使CDC保持在最佳電容工作范圍內(nèi)。當(dāng)AutoDAC功能啟用時(shí)，若數(shù)據(jù)平均值超過CDC滿量程的四分之三，CAPDAC值自動(dòng)增加；若低于四分之一，則自動(dòng)減小。

4.4 數(shù)據(jù)平均

數(shù)據(jù)平均的響應(yīng)可以用指數(shù)方程描述，通過設(shè)置ThrSettling位可以選擇時(shí)間常數(shù)，范圍在2到65,536個(gè)轉(zhuǎn)換周期倍數(shù)之間，以2的冪次為步長(zhǎng)。

4.5 靈敏度與遲滯

靈敏度寄存器用于設(shè)置自適應(yīng)閾值模式下正閾值和負(fù)閾值與數(shù)據(jù)平均值的距離。遲滯位（Hyst）在自適應(yīng)閾值模式下，當(dāng)Hyst = 1時(shí)禁用遲滯，在固定閾值模式下遲滯始終禁用。

4.6 超時(shí)設(shè)置

超時(shí)寄存器用于設(shè)置自適應(yīng)閾值模式下的超時(shí)時(shí)間，包括接近超時(shí)和后退超時(shí)。當(dāng)超時(shí)發(fā)生時(shí)，數(shù)據(jù)平均值（以及閾值）將立即跟隨新的CDC數(shù)據(jù)值。

4.7 電源管理

• 電源關(guān)閉定時(shí)器：在對(duì)功耗敏感的應(yīng)用中，AD7150可以在輸出未激活的編程時(shí)間段后自動(dòng)進(jìn)入掉電模式，并可通過串行接口或電源開關(guān)序列恢復(fù)正常工作。
• 電源監(jiān)控器：當(dāng)VDD電源電壓下降到低于CDC正確運(yùn)行所需的定義水平時(shí)，片上電源監(jiān)控器會(huì)停止自適應(yīng)閾值邏輯并將其保持在復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)VDD恢復(fù)到所需水平時(shí)，閾值邏輯釋放，數(shù)據(jù)平均值重置為在正確電源電壓下完成的第一次轉(zhuǎn)換的值。

五、寄存器配置

AD7150有多個(gè)寄存器，包括狀態(tài)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、平均寄存器、固定閾值寄存器、靈敏度寄存器、超時(shí)寄存器、設(shè)置寄存器、配置寄存器、電源關(guān)閉定時(shí)器寄存器、CAPDAC寄存器、序列號(hào)寄存器和芯片ID寄存器等。每個(gè)寄存器都有其特定的功能和位定義，通過合理配置這些寄存器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AD7150的靈活控制。

六、硬件設(shè)計(jì)考慮

在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮寄生電容、寄生電阻、輸入過壓保護(hù)、輸入EMC保護(hù)以及電源去耦和濾波等因素。例如，VDD引腳應(yīng)使用低阻抗電容（如0.1μF X7R多層陶瓷電容）去耦到GND；輸入引腳的寄生電容和電阻會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的性能，需要進(jìn)行合理的布局和設(shè)計(jì)。

七、總結(jié)

AD7150以其超低功耗、高靈敏度、自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)忍匦?，為電容式接近感?yīng)應(yīng)用提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師們可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理配置寄存器，優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮AD7150的性能優(yōu)勢(shì)。大家在使用AD7150的過程中，有沒有遇到過一些特別的問題或者有什么獨(dú)特的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享。