在電子工程師的日常設計工作中，模擬 - 數字轉換器（ADC）是不可或缺的關鍵組件。今天，我們就來深入探討一款性能出色的ADC——德州儀器（TI）的ADC78H90。它在汽車導航、便攜式系統、醫療儀器和移動通信等眾多領域都有廣泛的應用。

文件下載：adc78h90.pdf

一、產品概述

ADC78H90是一款低功耗、8通道的CMOS 12位A/D轉換器，轉換吞吐量高達500 kSPS。它采用逐次逼近寄存器（SAR）架構，并內置跟蹤保持電路，能夠在一次轉換中對輸入信號進行采樣并轉換為全分辨率數字信號，無需上電延遲或虛假轉換。其輸出的串行數據為直二進制格式，與SPI?、QSPI?、MICROWIRE?以及許多常見的DSP串行接口兼容。該芯片采用16引腳TSSOP封裝，可在 -40°C至 +85°C的工業溫度范圍內穩定工作。

二、產品特性

2.1 多通道與電源管理

• 八輸入通道：提供8個模擬輸入通道（AIN1 - AIN8），可靈活配置以滿足不同的應用需求。
• 可變電源管理：支持獨立的模擬和數字電源，模擬電源（$AV{DD}$）范圍為 +2.7V至 +5.25V，數字電源（$DV{DD}$）范圍為 +2.7V至$AV_{DD}$。正常工作時，+3V或 +5V電源的功耗分別為1.5 mW和8.3 mW；進入掉電模式后，+3V和 +5V電源的功耗可分別降至0.3 μW和0.5 μW。

2.2 接口兼容性

輸出串行數據與SPI?、QSPI?、MICROWIRE?和常見的DSP串行接口兼容，方便與各種微處理器和數字信號處理器進行連接。

2.3 高精度與低誤差

• 高分辨率：具有12位分辨率，無丟失碼，確保了高精度的轉換結果。
• 低非線性誤差：積分非線性（INL）和微分非線性（DNL）最大均為 ±1 LSB，保證了轉換的線性度。
• 低偏移和增益誤差：偏移誤差（$V_{OFF}$）和增益誤差（GE）最大分別為 ±2 LSB和 ±3 LSB，且通道間的偏移誤差匹配（OEM）和增益誤差匹配（GEM）最大也分別為 ±2 LSB和 ±3 LSB。

2.4 良好的動態性能

• 高信噪比：信號 - 噪聲加失真比（SINAD）在特定條件下可達70 dB（最小值），信號 - 噪聲比（SNR）可達70.8 dB（最小值）。
• 低諧波失真：總諧波失真（THD）最大為 -74 dB，無雜散動態范圍（SFDR）最小為75.6 dB。

三、引腳說明

四、工作原理

ADC78H90采用逐次逼近型架構，基于電荷分配數模轉換器（DAC）設計。其工作過程分為跟蹤和保持兩個模式：

4.1 跟蹤模式

在CS引腳拉低后的前三個SCLK周期內，ADC處于跟蹤模式。此時，開關SW1通過多路復用器將采樣電容連接到八個模擬輸入通道之一，開關SW2平衡比較器輸入，使采樣電容能夠跟蹤輸入電壓。

4.2 保持模式

在接下來的十三個SCLK周期內，ADC進入保持模式。開關SW1將采樣電容連接到地，保持采樣電壓，開關SW2使比較器失衡。控制邏輯隨后指示電荷分配DAC向采樣電容添加或減去固定量的電荷，直到比較器平衡。此時，提供給DAC的數字字即為模擬輸入電壓的數字表示。

五、應用電路設計要點

5.1 電源設計

• 獨立供電：采用獨立的模擬和數字電源，可有效減少數字噪聲對模擬信號的干擾。例如，可使用TI的LP2950低壓差穩壓器為模擬和數字電源供電。
• 電源旁路：模擬電源（$AV{DD}$）應使用靠近芯片的電容網絡進行旁路，如1 μF鉭電容和0.1 μF陶瓷單片電容；數字電源（$DV{DD}$）也應通過0.1 μF陶瓷單片電容旁路到地。

5.2 模擬輸入設計

• 低阻抗源驅動：為了消除采樣電容充電引起的失真，應使用低阻抗源驅動ADC78H90的模擬輸入。特別是在采樣交流信號時，這一點尤為重要。
• 濾波處理：在采樣動態信號時，可使用帶通或低通濾波器來減少諧波和噪聲，提高動態性能。

5.3 數字接口設計

• 時鐘和片選信號：SCLK和CS信號的時序對ADC的正常工作至關重要。每個串行幀應包含整數倍的16個SCLK上升沿，CS下降沿啟動轉換，上升沿結束轉換。
• 數據傳輸：轉換結果通過DOUT引腳以串行數據流的形式輸出，MSB優先；控制寄存器的數據通過DIN引腳在每個轉換周期的前8個SCLK上升沿寫入。

六、性能優化與注意事項

6.1 電源管理

• 電源順序：為避免ESD二極管導通，應先施加模擬電源（$AV{DD}$），再施加數字電源（$DV{DD}$），且$DV{DD}$不能超過$AV{DD}$ 300 mV。
• 功耗控制：通過控制CS引腳的高低電平，可實現ADC的正常工作和掉電模式切換。在不需要轉換時，將CS引腳拉高，可顯著降低功耗。

6.2 輸入保護

模擬輸入信號的電壓范圍應在（$AV_{DD}$ + 300 mV）和（GND - 300 mV）之間，以防止ESD二極管導通導致的異常工作。

6.3 噪聲抑制

• 電源噪聲：數字電源的噪聲可能會影響ADC的性能，可通過分離模擬和數字電源、減小輸出負載電容、在ADC輸出端使用串聯電阻等方法來抑制噪聲。
• 信號噪聲：在模擬輸入前端添加濾波電路，可有效減少輸入信號的噪聲和諧波，提高轉換的精度和穩定性。

七、總結

ADC78H90以其高性能、低功耗、多通道和良好的兼容性，成為了眾多應用領域的理想選擇。在實際設計中，電子工程師需要根據具體的應用需求，合理設計電源、輸入輸出接口和濾波電路，以充分發揮其性能優勢。同時，要注意電源管理、輸入保護和噪聲抑制等方面的問題，確保系統的穩定性和可靠性。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地了解和使用ADC78H90這款優秀的A/D轉換器。

各位工程師朋友，在使用ADC78H90的過程中，你們遇到過哪些問題或有什么獨特的設計經驗呢？歡迎在評論區分享交流！