AD4697/AD4698：高性能 16 位 SAR ADC 的深度解析

在電子工程師的日常工作中，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）扮演著至關(guān)重要的角色。今天我們要深入探討的 AD4697/AD4698，是一款集高性能、低功耗和高集成度于一身的 16 位、8 通道、500 kSPS/1 MSPS 多路復(fù)用采樣 SAR ADC，具有 “Easy Drive” 特性和豐富的數(shù)字功能，非常適合空間受限、多通道的精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)電路。

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AD4697/AD4698 的特性亮點(diǎn)

輕松驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

• 降低驅(qū)動(dòng)要求：“Easy Drive” 特性顯著降低了對(duì)模擬輸入和參考驅(qū)動(dòng)的要求。模擬輸入高阻抗（High - Z）模式和參考輸入高阻抗模式的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了組件數(shù)量，提高了通道密度，同時(shí)還可去除對(duì)專用高速 ADC 驅(qū)動(dòng)器和參考緩沖器的需求。
• 內(nèi)置參考緩沖器：WLCSP 封裝選項(xiàng)中包含一個(gè)片上參考緩沖器，能提供真正的緩沖參考輸入，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 過(guò)壓保護(hù)：每個(gè)模擬輸入都具備高達(dá) 5 mA 的過(guò)壓保護(hù)功能。當(dāng)輸入電壓超過(guò)保護(hù)閾值時(shí)，過(guò)壓保護(hù)電路會(huì)迅速啟動(dòng)，將電壓限制在安全范圍內(nèi)，避免芯片因過(guò)壓而損壞。
• 長(zhǎng)采集階段：在 1 MSPS 采樣率下，采集階段占周期時(shí)間的比例 ≥71.5%（715 ns/1000 ns），能更充分地采集輸入信號(hào)，保證轉(zhuǎn)換精度。

卓越性能，穩(wěn)定可靠

• 采樣率可選：AD4697 采樣率為 500 kSPS，AD4698 采樣率為 1 MSPS，可根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活選擇。
• 高精度轉(zhuǎn)換：積分非線性誤差（INL）最大為 ±1 LSB，保證 16 位無(wú)失碼轉(zhuǎn)換，確保了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。典型的信納比（SINAD）在輸入頻率為 1 kHz 時(shí)達(dá)到 93 dB，過(guò)采樣動(dòng)態(tài)范圍在過(guò)采樣比（OSR）為 64 時(shí)可達(dá) 111.2 dB。
• 多種輸出模式：支持單 SDO、雙 SDO 和四 SDO 模式，可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的輸出方式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

小封裝，高密度

提供 24 引腳、4.00 mm × 4.00 mm LFCSP 和 36 引腳、2.960 mm × 2.960 mm WLCSP 兩種封裝形式，滿足不同空間需求，適合對(duì)尺寸要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景。

增強(qiáng)數(shù)字功能，靈活高效

• 快速首轉(zhuǎn)換：首次轉(zhuǎn)換精確，無(wú)延遲或流水線延遲，能迅速響應(yīng)輸入信號(hào)的變化，適用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用。
• 低時(shí)鐘速率：快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間和雙/四 SDO 模式允許使用較低的 SPI 時(shí)鐘速率，降低了系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率要求，減少了功耗和電磁干擾。
• 可定制通道序列器：用戶可以根據(jù)實(shí)際需求定制通道序列，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同通道的靈活采樣，提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。
• 片上過(guò)采樣與抽取：支持對(duì)每個(gè)模擬輸入通道進(jìn)行過(guò)采樣和抽取操作，可降低系統(tǒng)的有效高斯噪聲，提高分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。
• 閾值檢測(cè)報(bào)警：能為每個(gè)模擬輸入設(shè)置可編程的閾值檢測(cè)功能，當(dāng)輸入信號(hào)超出設(shè)定閾值時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，方便用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。
• 偏移和增益校正：具備對(duì)每個(gè)模擬輸入的一階偏移和增益校正功能，可以對(duì)系統(tǒng)中的一階非理想性進(jìn)行校正，保證轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。
• 自主轉(zhuǎn)換模式：支持自主轉(zhuǎn)換（自動(dòng)循環(huán)）模式，可根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作，減少了對(duì)外部控制信號(hào)的依賴，提高了系統(tǒng)的自主性和穩(wěn)定性。

低功耗，寬溫范圍

• 功耗低：在 1 MSPS 采樣率下功耗為 8 mW，500 kSPS 采樣率下功耗為 4 mW；內(nèi)部 LDO 禁用時(shí)，待機(jī)功耗僅為 4 μW。
• 溫度適應(yīng)性強(qiáng)：工作溫度范圍為 - 40°C 至 +125°C，能在各種惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。

工作原理剖析

轉(zhuǎn)換器操作

AD4697/AD4698 采用基于 SAR 的 ADC 核心，利用電荷再分配數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將輸入電壓量化為輸出代碼。轉(zhuǎn)換過(guò)程分為采集階段和轉(zhuǎn)換階段。在采集階段，電容陣列獲取由內(nèi)部多路復(fù)用器選擇的模擬輸入通道上的電壓；轉(zhuǎn)換階段，ADC 核心對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣并生成相應(yīng)的輸出代碼結(jié)果。

模擬輸入設(shè)計(jì)

模擬輸入（IN0 至 IN7 和 COM）通過(guò)內(nèi)部低串?dāng)_多路復(fù)用器路由到 ADC 核心輸入。模擬輸入的阻抗可建模為引腳電容 ((C{PIN})) 與由 (R{IN}) 和 (C_{DAC}) 串聯(lián)組成的網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)組合。每個(gè)模擬輸入都有獨(dú)立的過(guò)壓保護(hù)鉗位電路，能有效保護(hù)芯片免受直流過(guò)壓條件的影響。

通道配置選項(xiàng)

器件提供多種通道配置選項(xiàng)，包括引腳配對(duì)分配和信號(hào)極性模式。引腳配對(duì)選項(xiàng)有 IN0 至 IN7 與 REFGND 配對(duì)、與 COM 配對(duì)以及偶數(shù)編號(hào)輸入與下一個(gè)最高奇數(shù)編號(hào)輸入配對(duì)等。信號(hào)極性模式分為單極性模式和偽雙極性模式，可根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的模式。

參考電壓輸入

(V_{REF}) 設(shè)置 ADC 的滿量程電壓，ADC 核心在轉(zhuǎn)換過(guò)程的位試驗(yàn)中對(duì)參考輸入（REF）上的電壓進(jìn)行采樣，以確定輸出代碼結(jié)果。器件兼容 2.4 V 至 5.1 V 的參考電壓，REF 輸入高阻抗模式和內(nèi)部參考緩沖器的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了參考電路的設(shè)計(jì)。

電源管理

器件具有三個(gè)電源引腳：模擬電源（AVDD）、ADC 核心電源（VDD）和數(shù)字輸入/輸出接口電源（VIO），還包含一個(gè)內(nèi)部 LDO，可提供更廣泛的電源電壓選擇。電源排序方面，VIO、VDD 和 AVDD 之間的電源排序相互獨(dú)立，且器件在較寬的頻率范圍內(nèi)對(duì)電源紋波不敏感。

應(yīng)用電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

模擬前端設(shè)計(jì)

• 外部 RC 濾波器：由外部電阻 (R{EXT}) 和電容 (C{EXT}) 組成的低通濾波器，可降低 AFE 電路的寬帶噪聲，減少模擬輸入處的非線性電壓跳變，并保護(hù)模擬輸入免受過(guò)壓事件的影響。
• 信號(hào)穩(wěn)定要求：為實(shí)現(xiàn)器件的指定性能，多路復(fù)用器開關(guān)閉合時(shí)產(chǎn)生的電壓跳變（kickback）必須在下次轉(zhuǎn)換階段開始前（即下一個(gè) CNV 上升沿）穩(wěn)定到 ADC 核心的半個(gè) LSB 以內(nèi)。模擬輸入高阻抗模式可顯著減少這種電壓跳變的幅度，降低對(duì) AFE 帶寬的要求。
• AFE 噪聲考慮：AFE 噪聲的大小直接影響整個(gè) AD4697/AD4698 信號(hào)鏈的動(dòng)態(tài)范圍和 SNR 性能。在設(shè)計(jì) AFE 電路時(shí)，應(yīng)選擇合適的組件和配置，以達(dá)到系統(tǒng)的目標(biāo)噪聲指標(biāo)。

參考電路設(shè)計(jì)

參考電路必須具備足夠的噪聲性能、精度、漂移和信號(hào)穩(wěn)定特性，以確保 (V_{REF}) 在 ADC 轉(zhuǎn)換過(guò)程中保持穩(wěn)定。REF 輸入高阻抗模式和內(nèi)部參考緩沖器的使用，可降低對(duì)參考電路的驅(qū)動(dòng)要求。

數(shù)字接口操作

• ADC 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)選項(xiàng)：CNV 輸入作為邊沿觸發(fā)的中斷引腳，指示 ADC 核心進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。其信號(hào)周期決定了器件的采樣率，必須符合相應(yīng)的規(guī)格要求。
• SPI 外設(shè)連接：器件提供多種串行數(shù)據(jù)輸出模式，可根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的連接方式。在設(shè)計(jì)時(shí)，建議在相關(guān)引腳添加上拉電阻，確保信號(hào)的穩(wěn)定性。
• SPI 外設(shè)同步：在轉(zhuǎn)換模式下，SPI 傳輸必須在 (t{CONVERT}) 時(shí)間過(guò)后開始，并在 (t{SCKCNV}) 時(shí)間之前完成，以確保與 CNV 信號(hào)同步?？赏ㄟ^(guò)多種方式實(shí)現(xiàn) SPI 與 ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)序的同步，如利用倒計(jì)時(shí)定時(shí)器、忙指示或閾值檢測(cè)報(bào)警指示等。

寄存器配置

AD4697/AD4698 具有多個(gè)可編程配置寄存器，用于監(jiān)控器件狀態(tài)和配置功能。這些寄存器的配置直接影響器件的工作模式和性能，因此在使用時(shí)必須根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行正確設(shè)置。

寄存器概述

寄存器映射內(nèi)存空間劃分為字節(jié)，每個(gè)字節(jié)有唯一地址。寄存器分為單字節(jié)和多字節(jié)寄存器，讀寫操作需通過(guò) SPI 進(jìn)行。部分寄存器包含只讀、讀寫或?qū)?1 清 0 位，使用時(shí)需注意其訪問(wèn)權(quán)限。

詳細(xì)寄存器描述

不同寄存器具有不同的功能，如 SPI 配置寄存器用于設(shè)置 SPI 協(xié)議相關(guān)參數(shù)，狀態(tài)寄存器用于監(jiān)控器件狀態(tài)，通道配置寄存器用于設(shè)置通道相關(guān)參數(shù)等。具體的位描述和功能在文檔中有詳細(xì)說(shuō)明，工程師在配置時(shí)應(yīng)仔細(xì)參考。

應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

基于其卓越的性能和豐富的功能，AD4697/AD4698 在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，如光電二極管監(jiān)測(cè)、醫(yī)療儀器、電子測(cè)試與測(cè)量、自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、儀器儀表和過(guò)程控制以及電池供電設(shè)備等。

在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理設(shè)計(jì)外部電路，正確配置寄存器，以充分發(fā)揮 AD4697/AD4698 的性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，要注意 PCB 布局和電源管理等方面的問(wèn)題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能為大家在使用 AD4697/AD4698 時(shí)提供一些有益的參考和幫助。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)分享交流。