在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接現(xiàn)實(shí)世界模擬信號(hào)與數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵橋梁。德州儀器（TI）的ADC104S021/ADC104S021Q 4通道、50 ksps到200 ksps、10位A/D轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的性能和靈活的特性，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。今天，我們就來深入剖析這款轉(zhuǎn)換器，為電子工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)中提供全面的參考。

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一、產(chǎn)品概述

ADC104S021/ADC104S021Q是一款低功耗、四通道CMOS 10位A/D轉(zhuǎn)換器，具有高速串行接口。與傳統(tǒng)僅在單一采樣率下規(guī)定性能的做法不同，它在50 ksps至200 ksps的采樣率范圍內(nèi)都有完整的性能規(guī)格。該轉(zhuǎn)換器基于逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)，并內(nèi)置了跟蹤保持電路，可配置為接受多達(dá)四個(gè)輸入信號(hào)。其中，ADC104S021Q符合AEC - Q100 Grade 3標(biāo)準(zhǔn)，適用于汽車應(yīng)用。

特性亮點(diǎn)

1. 多通道設(shè)計(jì)：四個(gè)輸入通道，可同時(shí)處理多個(gè)模擬信號(hào)，滿足復(fù)雜系統(tǒng)的需求。
2. 可變采樣率：支持50 ksps至200 ksps的采樣率范圍，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
3. 低功耗：?jiǎn)坞娫垂╇姡?.7V - 5.25V），正常功耗低，如3V供電時(shí)為1.94 mW，5V供電時(shí)為6.9 mW；掉電模式下功耗更低，3V供電時(shí)僅0.12 μW，5V供電時(shí)為0.47 μW。
4. 高速串行接口：輸出串行數(shù)據(jù)為直二進(jìn)制格式，兼容SPI?、QSPI?、MICROWIRE和許多常見的DSP串行接口，方便與其他數(shù)字設(shè)備連接。

二、關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

靜態(tài)特性

• 分辨率：10位，無丟失碼，確保了高精度的轉(zhuǎn)換。
• 積分非線性（INL）：典型值為±0.13 LSB，最大值為±0.3 LSB，保證了轉(zhuǎn)換結(jié)果的線性度。
• 差分非線性（DNL）：典型值為±0.13 LSB，最大值為±0.4 LSB，體現(xiàn)了每個(gè)量化臺(tái)階的一致性。

動(dòng)態(tài)特性

• 信噪失真比（SINAD）：在VA = +2.7至5.25V、fIN = 39.9 kHz、?0.02 dBFS條件下，典型值為61.8 dB，最小值為61 dB，反映了轉(zhuǎn)換器在處理信號(hào)時(shí)的抗噪聲和失真能力。
• 信噪比（SNR）：典型值為61.8 dB，最小值為61.3 dB，衡量了信號(hào)與噪聲的比例。
• 總諧波失真（THD）：在相同條件下，最大值為?86 dB，體現(xiàn)了對(duì)諧波的抑制能力。

電源特性

• 供電電壓范圍：VA為2.7V - 5.25V，適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 正常模式電流：在不同供電電壓和采樣率下有明確的規(guī)格，如VA = +5.25V、fSAMPLE = 200 ksps、fin = 40 kHz時(shí)，最大電流為1.8 mA。
• 掉電模式電流：非常低，如VA = +5.25V、fsAMPLE = 0 ksps時(shí)為90 nA。

三、引腳描述與等效電路

模擬輸入引腳（IN1 - IN4）

引腳4 - 7為模擬輸入引腳，信號(hào)范圍從0V到VA。在實(shí)際應(yīng)用中，要注意輸入信號(hào)的幅度不能超過這個(gè)范圍，否則可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果不準(zhǔn)確或損壞轉(zhuǎn)換器。

數(shù)字輸入輸出引腳

• SCLK（引腳10）：數(shù)字時(shí)鐘輸入，直接控制轉(zhuǎn)換和讀出過程。時(shí)鐘頻率范圍為0.8 MHz至3.2 MHz，在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路時(shí)要確保頻率在這個(gè)范圍內(nèi)。
• DOUT（引腳9）：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出，輸出樣本在SCLK引腳的下降沿從該引腳時(shí)鐘輸出。
• DIN（引腳8）：數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入，ADC的控制寄存器在SCLK引腳的上升沿通過該引腳加載數(shù)據(jù)。
• CS（引腳1）：芯片選擇信號(hào)，在其下降沿開始轉(zhuǎn)換過程，只要CS保持低電平，轉(zhuǎn)換就會(huì)繼續(xù)。

電源引腳

• VA（引腳2）：正電源引腳，應(yīng)連接到穩(wěn)定的+2.7V至+5.25V電源，并通過一個(gè)1 uF電容和一個(gè)0.1 uF單片電容旁路到GND，電容應(yīng)靠近電源引腳放置，以減少電源噪聲。
• GND（引腳3）：電源和信號(hào)的接地返回端。

四、工作原理與操作

工作模式

ADC104S021/ADC104S021Q有跟蹤（Track）和保持（Hold）兩種模式。在CS信號(hào)下降后的前三個(gè)SCLK周期，轉(zhuǎn)換器處于跟蹤模式，采樣電容通過多路復(fù)用器連接到模擬輸入通道，同時(shí)平衡比較器輸入；在接下來的第四到第十六個(gè)SCLK周期，進(jìn)入保持模式，采樣電容連接到地，保持采樣電壓，控制邏輯指示電荷再分配DAC向采樣電容添加固定電荷，直到比較器平衡，此時(shí)DAC的數(shù)字字即為模擬輸入電壓的數(shù)字表示。

串行幀操作

CS信號(hào)的低電平時(shí)間被視為一個(gè)串行幀，每個(gè)幀應(yīng)包含整數(shù)倍的16個(gè)SCLK周期。在一個(gè)幀內(nèi)，完成一次轉(zhuǎn)換并將結(jié)果從DOUT引腳時(shí)鐘輸出，同時(shí)在DIN引腳時(shí)鐘輸入數(shù)據(jù)，指示下一次轉(zhuǎn)換的多路復(fù)用器地址。

輸入通道選擇

五、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

典型應(yīng)用電路

一個(gè)典型的應(yīng)用電路中，可使用德州儀器的LP2950低 dropout 電壓調(diào)節(jié)器為ADC供電，電源引腳通過電容網(wǎng)絡(luò)旁路，以減少電源噪聲。由于ADC的參考電壓為電源電壓，電源噪聲會(huì)影響其性能，因此建議使用專用的線性穩(wěn)壓器或提供足夠的去耦措施。同時(shí)，將四 - 線接口連接到微處理器或DSP，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和處理。

模擬輸入設(shè)計(jì)

模擬輸入通道的等效電路中，包含ESD保護(hù)二極管、電容和電阻。要注意輸入信號(hào)不能超過(VA + 300 mV)或(GND - 300 mV)，否則ESD二極管會(huì)導(dǎo)通，可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的操作。為了獲得最佳性能，應(yīng)使用低阻抗源驅(qū)動(dòng)ADC，以消除采樣電容充電引起的失真，特別是在采樣交流信號(hào)時(shí)。此外，可使用帶通或低通濾波器減少諧波和噪聲，提高動(dòng)態(tài)性能。

數(shù)字輸入輸出設(shè)計(jì)

數(shù)字輸出DOUT受電源電壓VA限制，不能超過該值。數(shù)字輸入引腳一般不會(huì)發(fā)生閂鎖，雖然不建議，但SCLK、CS和DIN可以在VA之前被置位，而不會(huì)有閂鎖風(fēng)險(xiǎn)。

電源管理設(shè)計(jì)

ADC在CS為低電平時(shí)完全上電，CS為高電平時(shí)完全掉電，但在一次轉(zhuǎn)換的第16個(gè)下降沿到下一次轉(zhuǎn)換的第1個(gè)下降沿之間會(huì)自動(dòng)進(jìn)入掉電模式。用戶可以通過減少單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)換次數(shù)來平衡吞吐量和功耗。例如，在不需要高采樣率時(shí)，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)換頻率，可有效降低功耗。

電源噪聲考慮

輸出負(fù)載電容的充電和放電會(huì)導(dǎo)致電源電壓波動(dòng)和“地彈”噪聲，影響ADC的SNR和SINAD性能。因此，應(yīng)盡量減小輸出負(fù)載電容，如果負(fù)載電容大于50 pF，可在ADC輸出端使用一個(gè)100 Ω的串聯(lián)電阻，以限制充電和放電電流，提高噪聲性能。

六、典型性能特性

文檔中給出了大量的典型性能特性曲線，如DNL、SINAD、SNR等隨采樣率、輸入頻率等參數(shù)的變化曲線。這些曲線可以幫助工程師在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，預(yù)測(cè)ADC的性能表現(xiàn)，從而做出合理的設(shè)計(jì)決策。例如，在設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)噪聲要求較高的系統(tǒng)時(shí)，可以參考SNR曲線，選擇合適的采樣率和輸入頻率，以獲得最佳的信噪比。

七、總結(jié)

ADC104S021/ADC104S021Q以其多通道、可變采樣率、低功耗和高速串行接口等優(yōu)點(diǎn)，成為電子工程師在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集、儀器儀表、汽車電子等領(lǐng)域的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求，合理設(shè)計(jì)電路，注意引腳連接、電源管理、輸入輸出信號(hào)處理等方面的問題，以充分發(fā)揮該轉(zhuǎn)換器的性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，參考典型性能特性曲線，可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的整體性能。希望本文能為電子工程師們?cè)谑褂肁DC104S021/ADC104S021Q時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用這款A(yù)DC的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。