高精度多通道數據采集利器：AD4691/AD4692 ADC深度解析

在電子設計領域，高精度、多通道的數據采集需求日益增長。AD4691/AD4692作為一款16通道、16位逐次逼近寄存器（SAR）模數轉換器（ADC），憑借其卓越的性能和豐富的特性，成為了眾多應用場景中的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款ADC的奧秘。

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一、產品概述

AD4691/AD4692專為高密度多通道精密數據采集解決方案而優化，結合了精密性能、Easy Drive特性和靈活的數字處理能力，能夠與空間受限的模擬前端（AFE）設計和低功耗數字主機兼容。它有兩種封裝形式可供選擇：32引腳、5mm × 5mm的LFCSP封裝和36焊球、2.96mm × 2.96mm的WLCSP封裝，工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C。

二、關鍵特性

（一）Easy Drive特性

傳統的多路復用SAR ADC在模擬輸入上通常會出現較大的電荷和電壓瞬變，需要為每個通道添加高速、低噪聲且功耗大的ADC驅動放大器，這會顯著增加系統尺寸和功耗。而AD4691/AD4692具備的Easy Drive特性，有效解決了這些問題。

• 模擬輸入預充電緩沖器：大幅減少了多路復用SAR ADC典型的輸入瞬變，使AD4691/AD4692能夠容忍更高阻抗的信號源，而不會影響采樣精度，從而可以直接與精密放大器連接，無需高速ADC驅動器。同時，減少的瞬變還允許在RC輸入濾波器中使用更低的電容和更高的電阻，降低了前端放大器的不穩定性和功耗。
• 參考輸入預充電緩沖器：減少了VREF信號上的瞬變，降低了直接驅動ADC REF輸入時對參考電壓瞬態響應的要求，還允許ADC在參考源和REF輸入之間承受更大的串聯電阻，而不影響精度。
• WLCSP封裝的內部參考緩沖器：為使用無緩沖、低功耗參考源的應用，或需要外部噪聲濾波的參考源，以及多個設備共享公共參考源的應用提供了便利。
• 過壓保護鉗位：在IN0至IN15和COM上設置了過壓保護鉗位，降低了持續直流過壓事件對設備造成損壞的風險，在輸入驅動電路正電源軌大于VREF的系統中，可省去外部鉗位二極管。

（二）高性能指標

• 采樣率：AD4691的采樣率為500kSPS，AD4692則高達1MSPS，能夠滿足不同應用場景對采樣速度的需求。
• 積分非線性（INL）：最大為±0.85 LSB，保證了高精度的轉換。
• 無失碼：確保了16位的分辨率，提供準確的數字輸出。
• 首次轉換精度：保證了每次轉換的準確性。
• 信噪失真比（SINAD）：典型值為93dB（fIN = 1kHz），提供了良好的信號質量。
• 低功耗：在fS = 1MSPS時功耗為14.6mW，fS = 500kSPS時功耗為7.3mW，適合對功耗敏感的應用。

（三）增強的數字功能

• 每通道平均濾波器：為每個通道提供片上噪聲濾波，提高測量分辨率和動態范圍。每個通道都有獨立的平均濾波器，避免了通道數據的相互覆蓋，實現了交錯通道采樣，提高了多通道測量的準確性。
• 可定制的通道序列器：支持標準和高級兩種序列模式。標準序列模式適用于所有通道具有相同采樣率和平均比的簡單通道序列；高級序列模式則允許完全自定義通道序列，實現每個通道不同的采樣率和抽取率。
• 交錯通道采樣：結合每通道平均濾波器，減少了采樣盲區，提高了通道測量的重復性。
• 自主和突發采樣模式：允許固件預配置通道采樣序列，以最小的數字開銷執行轉換。突發采樣模式還能快速掃描輸入通道，為主機SPI留出更多時間來處理結果，降低了ADC的操作開銷，使低功耗數字主機能夠更多地處于睡眠模式。
• 4線SPI接口：與1.2V和1.8V邏輯兼容，支持可選的循環冗余校驗（CRC），確保數據傳輸的可靠性。

三、工作原理

（一）轉換過程

AD4691/AD4692的轉換過程包括采集階段、轉換階段和預充電階段。

• 采集階段：多路復用器將活動通道連接到ADC采樣電容（CSH），跟蹤輸入信號，直到轉換開始觸發信號出現。
• 轉換階段：多路復用器開關打開，采樣電容CSH上的輸入信號被采樣，SAR ADC核心在轉換結束后生成相應的16位數字輸出。
• 預充電階段：在轉換階段之后、下一個采集階段之前，CSH被驅動到下一個要采集通道的電壓，大幅減少了采集開始時的電荷和電壓瞬變。預充電階段在轉換開始后515ns結束。

（二）通道序列器

通道序列器用于自動掃描用戶編程的通道序列，與ADC采樣同步。它有標準和高級兩種模式：

• 標準序列模式：掃描預編程的一組啟用通道，按升序進行，每個啟用通道在每個序列迭代中采樣一次。
• 高級序列模式：通道序列完全可定制，每個通道的采樣率和抽取率可以不同，通過一系列插槽定義通道序列，序列長度可編程為1至128個插槽。

（三）平均濾波器

每個通道都有一個平均濾波器，包括累加器塊和除法（右移）塊。累加器計算來自相應輸入通道的ADC樣本的運行總和，除法塊將24位總和右移以縮放到16位平均值。支持SPI讀取原始24位累加器輸出或16位平均輸出。

四、應用場景

AD4691/AD4692憑借其高性能和豐富的功能，廣泛應用于多個領域：

• 光功率監測：高精度的轉換和低噪聲性能，能夠準確監測光功率的變化。
• 醫療儀器：滿足醫療設備對高精度數據采集的要求，確保測量結果的準確性。
• 電子測試和測量：在測試和測量設備中，提供可靠的多通道數據采集。
• 自動化測試設備：快速的采樣率和靈活的通道配置，適用于自動化測試系統。
• 電池供電設備：低功耗特性使其成為電池供電設備的理想選擇，延長設備的續航時間。

五、使用建議

（一）PCB布局

• 模擬走線和數字走線應物理分離，在同一PCB層的模擬和數字走線之間添加接地填充，避免數字走線跨越模擬走線或AD4691/AD4692設備，除非有接地平面PCB層隔開。
• 在模擬輸入和參考輸入附近放置外部電容，以減少非線性電壓階躍，提高性能。
• 電壓參考輸入REF應使用去耦電容，并盡量靠近REF引腳，以降低有效阻抗。
• 電源供應應使用低等效串聯電阻（ESR）的陶瓷電容進行去耦，電容應靠近電源引腳，并使用短而寬的走線連接，以減少電源線上的毛刺影響。

（二）配置和操作

• 根據應用需求選擇合適的操作模式，如CNV時鐘模式、CNV突發模式、SPI突發模式、自主模式或手動模式，并按照相應的配置流程圖進行配置。
• 在使用DRDY信號時，正確配置累加器掩碼位，避免鎖定條件的發生。
• 在進行批量讀取ADC數據寄存器時，根據通道的相鄰性選擇合適的模式，如自動遞減模式或直接地址模式，以提高數據讀取效率。

六、總結

AD4691/AD4692以其卓越的性能、豐富的特性和靈活的配置，為高精度多通道數據采集提供了一個強大的解決方案。無論是在空間受限的應用中，還是對功耗和性能有嚴格要求的場景，它都能展現出出色的表現。作為電子工程師，我們可以充分利用其優勢，設計出更加高效、可靠的系統。在實際應用中，我們還需要根據具體需求進行合理的配置和優化，以發揮其最大的潛力。你在使用類似ADC的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。