ADC3681、82、83 （ADC368x） 是一款低噪聲、超低功耗 18 位 65 MSPS 高速雙通道 ADC 系列。它專為最低噪聲性能而設計，可提供 -160 dBFS/Hz 的噪聲頻譜密度以及出色的線性度和動態范圍。ADC368x 提供出色的直流精度以及 IF 采樣支持，使其適用于廣泛的應用。高速控制環路受益于低至1個時鐘周期的短延遲。ADC在65 Msps時僅消耗94 mW/ch，其功耗在較低的采樣率下可以很好地擴展。

ADC368x 使用串行 LVDS （SLVDS） 接口輸出數據，從而最大限度地減少數字互連的數量。該設備支持雙通道、單通道和半通道選項。ADC36xx 是引腳兼容的 ADC 系列，具有 16 位和 18 位分辨率以及不同的速度等級。它采用 40 引腳 QFN 封裝 （5 x 5mm），支持 -40 至 +105?C 的擴展工業溫度范圍。
*附件：adc3681.pdf

特性

• 雙通道ADC
• 18 位 10、25、65 MSPS ADC
• 本底噪聲：-160 dBFS/Hz
• 低功耗和優化功率縮放：53 mW/ch （10 MSPS） 至 94 mW/ch （65 MSPS）
• 延遲：1-2 個時鐘周期
• 18 位，無缺失碼
• INL/DNL：±7/ ±0.7 LSB（典型值）
• 參考：外部或內部
• 輸入帶寬：900 MHz （3 dB）
• 工業溫度范圍：-40 至 +105°C
• 片上數字濾波器（可選）
  • 抽取 2、4、8、16、32
  • 32 位 NCO
• 串行LVDS數字接口（2線、1線和1/2線）
• 小尺寸：40-QFN （5x5 mm） 封裝
• 光譜性能（f 在 = 5 MHz）：
  • 信噪比：83.8 dBFS
  • SFDR：89 dBc HD2、HD3
  • SFDR：101 dBFS 最差雜散
• 光譜性能（f 在 = 20 兆赫）：
  • 信噪比：82.6 dBFS
  • SFDR：85 dBc HD2、HD3
  • SFDR：97 dBFS 最差雜散

參數

方框圖

一、產品定位與核心屬性

ADC3681 是德州儀器 ADC368x 系列中的 18 位雙通道高速模數轉換器（ADC），專為高精度、低噪聲的多通道信號采集場景設計，采樣速率固定為 10 MSPS，采用 40 引腳 WQFN（5mm×5mm）封裝，支持 - 40°C 至 + 105°C 工業級溫度范圍。其核心優勢在于 18 位高分辨率與優異的動態性能（噪聲基底 - 151.7 dBFS/Hz），同時兼顧低功耗（1 線 SLVDS 接口下典型功耗 106 mW），適用于高速數據采集、工業監測、電力質量分析儀、軟件無線電、雷達 / 聲吶等對多通道同步采樣與信號精度有嚴苛要求的場景，且與同系列 ADC3682（25 MSPS）、ADC3683（65 MSPS）引腳兼容，便于方案靈活選型與性能升級。

二、關鍵性能參數

1. 精度與線性度

• 分辨率與完整性 ：18 位無缺失碼，確保全量程信號轉換無遺漏，支持 14/16/18/20 位輸出分辨率調整（14/16 位時截斷 LSB，18/20 位時補 0 或保留全量程）。
• 線性誤差 ：微分非線性（DNL）典型值 ±0.7 LSB、最大值 ±0.85 LSB，積分非線性（INL）典型值 ±7 LSB、最大值 ±16 LSB，有效降低信號失真，保障直流采集精度。
• 直流特性 ：偏移誤差（VOS_ERR）典型值 ±10 LSB、最大值 ±410 LSB，偏移漂移（VOS_DRIFT）-0.04 LSB/°C；增益誤差（GAIN_ERR）外接 1.6V 參考時典型值 0.9% FSR，內置參考時 0.64% FSR，增益漂移（GAIN_DRIFT）外接參考時 2 ppm/°C，溫漂特性優異，寬溫環境下精度穩定。
• 過渡噪聲 ：典型值 5 LSB，減少信號轉換過程中的隨機誤差。

2. 動態性能（典型值，外接 1.6V 參考，-1 dBFS 差分輸入）

• 信噪比（SNR） ：1.1 MHz 輸入時 84.7 dBFS（-20 dBFS 輸入）、84.4 dBFS（-1 dBFS 輸入），4.9 MHz 輸入時 83.9 dBFS，9.9 MHz 輸入時 82.8 dBFS，高頻場景下仍保持高信號純凈度。
• 無雜散動態范圍（SFDR） ：1.1 MHz 輸入時 87 dBc，4.9 MHz 輸入時 86 dBc，9.9 MHz 輸入時 83 dBc，有效抑制雜散干擾，適配復雜信號采集。
• 總諧波失真（THD） ：1.1 MHz 輸入時 86 dBc，4.9 MHz 輸入時 86 dBc，9.9 MHz 輸入時 83 dBc，低失真特性保障微弱信號采集精度。
• 噪聲譜密度（NSD） ：1.1 MHz 輸入、-20 dBFS 時 - 151.7 dBFS/Hz，為微小信號檢測提供良好基礎。
• 互調失真（IMD3） ：雙音輸入（3 MHz/4 MHz，-7 dBFS/tone）時 89 dBc，抗干擾能力強，適合多頻率混合信號場景。

3. 功耗與接口特性

• 功耗 ：模擬電源電流（I_AVDD）典型值 30 mA、最大值 46 mA；1 線 SLVDS 接口下 I/O 電源電流（I_IOVDD）典型值 29 mA、最大值 46 mA，1/2 擺幅模式下可降至 22 mA，2 線模式下 36 mA，功耗靈活可控，適配低功耗場景。
• 延遲 ：1 線 / 1/2 線 SLVDS 接口僅 1 個時鐘周期，2 線接口 2 個時鐘周期，適配高速控制環路與實時信號處理。
• 輸入帶寬 ：3 dB 帶寬 900 MHz，支持中頻（IF）采樣，無需額外降頻電路，簡化前端設計。

三、硬件設計關鍵信息

1. 引腳功能與配置

• 模擬輸入 ：雙通道差分輸入，AINP（引腳 12，A 通道正端）、AINM（引腳 13，A 通道負端）、BINP（引腳 39，B 通道正端）、BINM（引腳 38，B 通道負端），共模電壓（VCM，引腳 8）固定 0.95 V（典型值），輸入阻抗 8 kΩ（100 kHz 時）、電容 7 pF（100 kHz 時），單通道滿量程輸入 3.2 Vpp（差分），支持雙通道同步或獨立采樣。
• 電源引腳 ：AVDD（引腳 5、15、36）為模擬 1.8 V 電源，IOVDD（引腳 21、30）為數字接口 1.8 V 電源，需獨立供電避免數字噪聲耦合至模擬電路；GND（含底部散熱焊盤）與 IOGND（引腳 26）需單點連接，降低接地噪聲干擾。
• 控制與通信引腳 ：
  • PDN/SYNC（引腳 1）：高有效，可配置為電源關斷或多器件同步功能，內置 21 kΩ 下拉電阻。
  • RESET（引腳 9）：硬件復位，高有效，內置 21 kΩ 下拉電阻。
  • SPI 接口：SEN（引腳 16，片選，低有效，內置 21 kΩ 上拉至 AVDD）、SCLK（引腳 35，時鐘，內置 21 kΩ 下拉）、SDIO（引腳 10，數據 I/O，內置 21 kΩ 下拉），支持 20 MHz 最高時鐘頻率，24 位數據讀寫（16 位地址 + 8 位數據）。

2. 參考電壓與時鐘設計

• 參考電壓選項 ：
  • 外接 1.6 V 參考：直接接入 VREF（引腳 2），需搭配 10 μF+0.1 μF 陶瓷旁路電容，負載電流約 1 mA。
  • 外接 1.2 V 參考：接入 REFBUF（引腳 4），通過內部增益緩沖生成 1.6 V 參考，負載電流 < 100 μA，需在 REFBUF 與 REFGND（引腳 3）間加 10 μF+0.1 μF 旁路電容。
  • 內置參考：生成 1.6 V 參考，輸出阻抗 8 Ω，額外消耗 3 mA 模擬電流，適合對成本敏感、精度要求中等的場景。
• 時鐘輸入 ：支持差分（CLKP 引腳 6、CLKM 引腳 7）與單端輸入，差分模式可 AC 耦合（內部自偏置），單端模式需 DC 耦合至 0.9 V 中心電壓，且未使用端需 AC 接地；時鐘占空比推薦 40%-60%，高擺率時鐘可降低孔徑抖動（典型值 180 fs），保障雙通道同步采樣精度。

3. 數字接口與數據處理

• SLVDS 接口 ：支持 2 線、1 線、1/2 線模式，1 線模式下數據速率 180 MBPS（10 MSPS 時），2 線模式下 90 MBPS/lane，需外部輸入 DCLKIN 時鐘（差分，V_ID 200-650 mVpp），且與采樣時鐘頻率鎖定，確保雙通道數據同步輸出。
• 數字下變頻器（DDC） ：可選 2/4/8/16/32 倍抽取，支持實抽取（低通濾波）與復抽取（含 32 位 NCO，頻率可調范圍 - FS/2 至 FS/2），復抽取時可通過 DB0/1 接口實現雙頻段輸出，抽取后延遲增加 21-23 個輸出時鐘周期（依抽取倍數而定），同時支持雙通道數據平均功能，未相關噪聲降低 3 dB。

四、功能模塊與配置

1. 模擬前端優化

• 自動調零（Auto-Zero） ：默認啟用，可通過 SPI 寄存器（0x11，D0）關閉，有效降低 1/f 閃爍噪聲，提升低頻信號采集精度，4M 點 FFT 測試顯示啟用后低頻段噪聲抑制顯著。
• 采樣干擾濾波器 ：推薦根據輸入頻率選擇：DC-30 MHz 場景用 33 Ω 電阻 + 180 nH 電感 + 100 pF 電容；30-70 MHz 場景用 33 Ω 電阻 + 120 nH 電感 + 100 pF+82 pF 電容，吸收采樣開關產生的毛刺，減少干擾。
• 雙通道同步與平均 ：支持雙通道輸入信號同步采集，可通過 SPI 配置（0x24，D5）啟用通道平均功能，將兩通道輸出均值（(A+B)/2）作為最終輸出，進一步優化動態范圍，適配高精度測量場景。

2. 數字功能配置

• 輸出格式化 ：支持 14/16/18/20 位輸出分辨率，通過輸出位映射器（0x39-0x60、0x61-0x88 寄存器）調整位序；數據格式可通過 SPI 寄存器（0x8F、0x92）配置為二進制補碼（默認）或偏移二進制，適配不同后端處理需求。
• 測試模式 ：支持斜坡（RAMP）、自定義固定模式，通過 0x14-0x16 寄存器配置，用于數字接口連通性測試，斜坡步長需匹配 ADC 原生分辨率（18 位對應 00001）。
• 電源管理 ：支持全局電源關斷（功耗低至 5 mW，內置參考）與局部模塊關斷（如時鐘緩沖、參考放大器、輸出驅動），通過 0x08、0x09、0x0D 寄存器配置，平衡功耗與喚醒時間，適配低功耗待機場景。

3. SPI 寄存器關鍵配置

• 接口配置 ：0x07 寄存器選擇輸出接口映射（18 位 1 線 SLVDS 對應默認配置），0x13 寄存器加載 E-Fuse 配置（需等待 1 ms），0x19 寄存器設置 FCLK 源與分頻（復抽取時 FCLK_SRC=1）。
• 抽取配置 ：0x24 寄存器使能 DDC（D1=1）與數字通路（D2=1），0x25 寄存器設置抽取倍數（如 8 倍復抽取對應 0x30），0x2A-0x2D、0x31-0x34 寄存器配置 NCO 頻率（公式為 NCO 值 = f_NCO × 232 / F_S，F_S 為采樣速率）。
• 增益與相位 ：0x26 寄存器設置 mixer 增益（復抽取推薦 6 dB 補償混合損耗），0x27、0x2E 寄存器調整 I/Q 輸出順序與延遲，確保雙通道數據同步。

五、應用設計與布局建議

1. 典型應用電路

以工業雙通道同步監測系統為例，前端采用 THS4541 全差分放大器（支持 DC-70 MHz，3.3 V/-1 V 供電時輸出擺幅 6.8 Vpp），搭配 DC-30 MHz 采樣干擾濾波器（33 Ω 電阻 + 180 nH 電感 + 100 pF 電容），ADC 配置外接 1.6 V 參考（VREF 引腳接 REF5016），雙通道同步采集工業傳感器信號（如電壓、電流），數據通過 1 線 SLVDS 傳輸至 FPGA 進行實時處理，時鐘采用差分晶振（如 Si5351，抖動 < 100 fs），保障雙通道采樣同步性與動態性能。

2. 電源設計

• 推薦架構 ：采用 “開關電源 + LDO” 組合，如 TPS62821（開關電源，效率 90%+）+TPS7A4701（LDO，噪聲 < 10 μVrms），AVDD 與 IOVDD 獨立供電，電源路徑串聯鐵氧體磁珠（如 BLM18PG102SN1）抑制高頻噪聲；若采用單一開關電源，需設計紋波濾波電路，陷波頻率匹配開關頻率，避免噪聲耦合至模擬電路。
• 旁路電容 ：AVDD、IOVDD 引腳旁就近放置 10 μF（鉭電容）+0.1 μF（陶瓷電容），VREF、REFBUF 引腳旁放置 10 μF+0.1 μF 陶瓷電容，減少參考電壓波動與電源紋波影響。

3. 布局 Guidelines

• 模擬信號 ：AINP/AINM、BINP/BINM、CLKP/CLKM 采用 100 Ω 差分布線，長度匹配（誤差 <50 mil），避免過孔，減少阻抗不連續；模擬區域與數字區域（如 DA0/1、DB0/1）間距> 200 mil，降低串擾。
• 參考電壓 ：VREF、REFBUF 引腳旁路電容直接焊接在頂層，無過孔，REFGND 與模擬地單點連接，減少參考電壓噪聲。
• 散熱 ：底部散熱焊盤（GND PAD）需通過過孔連接至內層地平面，確保結溫（T_J）不超過 105°C（推薦結溫 < 85°C 以延長壽命），雙通道滿負荷工作時需評估散熱效率。