AD4680/AD4681：高性能16位雙路同步采樣SAR ADC的深度解析

在電子設計領域，ADC（模擬 - 數字轉換器）是連接模擬世界和數字世界的關鍵橋梁。AD4680/AD4681作為16位、引腳兼容的雙路同步采樣、高速、低功耗逐次逼近寄存器（SAR）ADC，憑借其出色的性能和豐富的功能，在眾多應用場景中展現出獨特的優勢。本文將深入剖析AD4680/AD4681的特性、工作原理、應用以及相關注意事項，為電子工程師在實際設計中提供全面的參考。

文件下載：AD4681.pdf

產品特性亮點

高性能指標

• 采樣速率：AD4680具有1 MSPS的吞吐量轉換速率，而AD4681為500 kSPS，能夠滿足不同應用對采樣速度的需求。
• 信噪比（SNR）：典型值可達92.5 dB（(V_{REF }=3.3 ~V) 外部），在8倍過采樣且 (RES = 1) 時，SNR更是能達到100 dB，有效降低噪聲干擾，提高信號質量。
• 積分非線性（INL）：最大為1.5 LSBs，保證了轉換的準確性。
• 內部參考：具備2.5 V內部參考，溫度系數為10 ppm/°C，穩定性高。

功能特性

• 雙路同步采樣：能夠同時對兩路模擬信號進行采樣，適用于需要同步測量的應用場景，如電機控制中的位置反饋和電流檢測。
• 全差分模擬輸入：可接受寬共模輸入電壓，增強了對噪聲和干擾的抵抗能力。
• 片上過采樣功能：通過多次采樣并平均，有效改善動態范圍，降低噪聲。
• 分辨率提升功能：可將轉換結果的分辨率從默認的16位提升至18位，滿足更高精度的應用需求。
• 高速串行接口：方便與微處理器或數字信號處理器（DSP）進行接口，實現數據的快速傳輸。
• 寬工作溫度范圍：可在 -40°C至 +125°C的環境下正常工作，適應各種惡劣的工業和汽車應用場景。
• 警報功能：當轉換結果超出預設的閾值時，可發出警報信號，便于及時發現異常情況。

工作原理剖析

電路結構

AD4680/AD4681包含兩個SAR ADC和一個具有兩個獨立數據輸出引腳的串行接口，采用16引腳LFCSP封裝，節省空間。數據通過串行接口進行訪問，接口可支持單路或雙路串行輸出。芯片內部有一個2.5 V的內部 (V{REF}) ，也可選擇使用2.5 V至3.3 V的外部參考電壓。其差分模擬輸入范圍為共模電壓（(V{CM})）± (V_{REF} / 2) 。

轉換過程

AD4680/AD4681的每個SAR ADC基于兩個電容式數模轉換器（DAC）。在采集階段，采樣電容陣列獲取輸入的差分信號；轉換開始時，控制邏輯和電荷再分配DAC通過對采樣電容陣列進行電荷的加減操作，使比較器恢復平衡，完成轉換并生成ADC輸出代碼。需要注意的是，驅動 (AINX+) 和 (AINX-) 引腳的源的輸出阻抗必須匹配，否則會導致輸入信號的建立時間不同，從而產生誤差。

應用場景與電路設計

應用場景

• 電機控制：用于電機控制的位置反饋和電流檢測，確保電機的精確控制和穩定運行。
• 聲納系統：對聲納信號進行高精度的采集和處理，提高聲納系統的性能。
• 電能質量監測：實時監測電能質量參數，保障電力系統的安全穩定運行。
• 數據采集系統：廣泛應用于各種數據采集場景，為后續的數據分析和處理提供準確的數據。
• 摻鉺光纖放大器（EDFA）應用：在光通信領域，用于對EDFA的信號進行精確測量和控制。
• 同相（I）和正交（Q）解調：在通信系統中，實現對信號的解調處理。

典型應用電路設計

在典型應用電路中，需要對 (V{CC})、(V{LOGIC})、REGCAP和REFIO引腳進行適當的去耦處理，使用合適的去耦電容。外露焊盤必須連接到電路板的地，作為器件電路的接地參考點。為了確保最佳性能，需要在模擬輸入上放置差分RC濾波器，推薦電阻 (R = 33 Omega) ，電容 (C1 = 68 pF) 和 (C2 = 330 pF) 。同時，要注意數字接口的噪聲問題，可通過縮短數字線路與數字接口的距離或在SDOA引腳和SDOB/ALERT引腳附近串聯100 Ω電阻來減少噪聲耦合。

工作模式詳解

過采樣模式

過采樣是提高ADC精度的常用方法，AD4680/AD4681提供片上滾動平均過采樣功能。通過在CONFIGURATION1寄存器中設置OS_MODE位和OSR位來啟用或禁用過采樣功能。在滾動平均過采樣模式下，ADC的所有轉換由CS信號的下降沿控制和啟動，轉換結果存儲在FIFO中。過采樣比率由OSR位控制，輸出結果會被抽取為16位分辨率，若需要更高分辨率，可通過設置RES位來實現。

分辨率提升模式

默認情況下，AD4680/AD4681的轉換結果輸出數據大小為16位。當片上過采樣功能啟用時，可通過將CONFIGURATION1寄存器中的RES位設置為1，將轉換結果的分辨率提升至18位。在此模式下，需要18個SCLK周期來傳輸數據。

警報模式

警報功能可作為轉換結果超出范圍的早期指示器。當轉換結果值寄存器超過ALERT_HIGH_THRESHOLD寄存器中的警報高限值或低于ALERT_LOW_THRESHOLD寄存器中的警報低限值時，會觸發警報事件。警報信息可在ALERT寄存器中查看，SDOB/ALERT引腳可配置為警報輸出。

電源模式

AD4680/AD4681具有正常模式和關斷模式兩種電源模式。通過編程CONFIGURATION1寄存器中的PMODE位來配置電源模式，設置為邏輯0為正常模式，邏輯1為關斷模式。正常模式下，設備可實現最快的吞吐量，所有模塊保持全功率運行；關斷模式下，所有模擬電路（包括內部參考）斷電，可降低功耗，適用于對功耗要求較高的應用場景。

接口與寄存器配置

接口操作

AD4680/AD4681通過串行接口進行通信，接口由CS、SCLK、SDOA、SDOB/ALERT和SDI引腳組成。CS信號用于啟動ADC轉換過程和幀定界，SCLK信號用于同步數據的輸入和輸出。根據設備的分辨率和配置設置，讀取轉換結果所需的SCLK周期數不同。可通過設置CONFIGURATION2寄存器中的SDO位來配置2線或1線模式，以滿足不同的吞吐量需求。

寄存器配置

AD4680/AD4681具有多個用戶可編程的片上寄存器，用于配置設備的各種功能。例如，CONFIGURATION1寄存器用于配置過采樣、CRC功能、警報功能、分辨率、參考源和電源模式等；CONFIGURATION2寄存器用于配置串行輸出模式和復位功能；ALERT寄存器用于存儲警報狀態信息；ALERT_LOW_THRESHOLD和ALERT_HIGH_THRESHOLD寄存器用于設置警報閾值。

總結與思考

AD4680/AD4681憑借其高性能、豐富的功能和靈活的配置選項，為電子工程師在設計各種應用系統時提供了強大的支持。在實際應用中，工程師需要根據具體的需求合理選擇設備的工作模式和配置參數，同時注意電路設計中的細節，如去耦、濾波和阻抗匹配等，以確保設備的性能和穩定性。那么，在您的設計中，AD4680/AD4681是否能滿足您的需求呢？您在使用過程中又遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享您的經驗和見解。