16位2.5 MSPS低功耗ADC——AD7985的全方位解析

在電子設計領域，模數轉換器（ADC）作為模擬信號與數字信號之間的橋梁，其性能直接影響著整個系統的精度和穩定性。今天，我們就來深入探討一款高性能的16位、2.5 MSPS的ADC——AD7985。

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一、AD7985概述

AD7985是一款采用逐次逼近架構的16位模數轉換器，具備低功耗、高速、高精度等特點。它集成了低功耗、高速的16位采樣ADC、內部轉換時鐘、內部參考（和緩沖器）、誤差校正電路以及多功能串行接口端口。該芯片采用20引腳、4mm×4mm的LFCSP封裝，工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C，適用于電池供電設備、通信、ATE、數據采集系統和醫療儀器等多種應用場景。

二、技術特性分析

1. 高分辨率與無失碼

AD7985擁有16位分辨率，且無失碼現象，能夠提供精確的數字輸出。這意味著在信號轉換過程中，每一個模擬信號都能被準確地轉換為對應的數字代碼，大大提高了系統的精度。

2. 靈活的吞吐量與低功耗

它具有兩種工作模式：Turbo模式和正常模式。在Turbo模式下（TURBO引腳為高電平），最高吞吐量可達2.5 MSPS；在正常模式下（TURBO引腳為低電平），最大吞吐量為2.0 MSPS。同時，其功耗與吞吐量成正比，在2.5 MSPS時，使用外部參考的功耗僅為15.5 mW，使用內部參考時為28 mW，非常適合對功耗要求較高的應用。

3. 出色的精度指標

• 積分非線性誤差（INL）：典型值為±0.7 LSB，最大值為±1.5 LSB，確保了轉換結果的準確性。
• 信噪比（SNR）：使用片上參考時為88.5 dB，使用外部參考時可達90 dB，能夠有效抑制噪聲干擾，提高信號質量。

  4. 偽差分模擬輸入

  AD7985的模擬輸入電壓范圍為0 V至VREF（VREF最高可達5.0 V），允許使用任意輸入范圍，并且可以對IN+和IN - 之間的真實差分信號進行采樣，有效抑制共模信號。

三、工作原理與模式

1. 轉換器操作

AD7985基于電荷再分配DAC的逐次逼近型ADC。在采集階段，電容陣列作為采樣電容，采集IN+和IN - 輸入的模擬信號。當采集階段完成且CNV輸入變為高電平時，轉換階段開始。通過控制邏輯切換電容陣列的開關，使比較器重新平衡，最終生成ADC輸出代碼和忙信號指示。

2. 轉換模式

• Turbo模式：提供最快的轉換速率，最高可達2.5 MSPS，但首次轉換的數據無意義。在該模式下，ADC在轉換之間不會掉電。
• 正常模式：適用于對功耗要求較高、采樣速率稍低的應用，最大轉換速率為2.0 MSPS，首次轉換的數據有意義，且ADC在轉換之間會掉電。

四、關鍵設計要點

1. 模擬輸入設計

AD7985的模擬輸入結構包含兩個二極管，用于ESD保護。在設計時，要確保模擬輸入信號不超過參考輸入電壓0.3 V，以避免二極管導通。同時，輸入源阻抗對AC性能影響較大，尤其是THD，因此在選擇驅動電路時，要盡量降低源阻抗。

2. 驅動放大器選擇

驅動放大器的噪聲和THD性能會直接影響AD7985的性能。為了保持SNR和過渡噪聲性能，驅動放大器產生的噪聲應盡可能低。對于交流應用，驅動放大器的THD性能要與AD7985相匹配。在多通道復用應用中，驅動放大器和AD7985的模擬輸入電路必須能夠在16位水平上對滿量程階躍進行穩定響應。推薦的驅動放大器有AD8021、AD8022、ADA4899 - 1和AD8014等。

3. 電壓參考輸入

AD7985提供了多種參考選擇，包括內部參考、外部1.2 V參考與內部緩沖器以及外部參考。內部參考具有良好的溫度補償性能，典型漂移為10 ppm/°C。使用外部參考時，可以提高SNR和動態范圍，并節省功耗。無論選擇哪種參考，都需要對參考輸入進行適當的去耦。

4. 電源供應

AD7985有四個電源引腳：AVDD、BVDD、DVDD和VIO。VIO允許直接與1.8 V至2.7 V的邏輯電平接口。為了減少電源數量，VIO、DVDD和AVDD可以連接在一起。該芯片對電源變化不敏感，并且在正常模式下，會在每個轉換階段結束時自動掉電，功耗與采樣速率成正比。

5. 數字接口

AD7985提供了靈活的串行接口模式，包括CS模式和鏈模式。CS模式下，可選擇3線或4線接口；鏈模式下，可實現多個ADC的級聯。在設計時，要注意數字活動的時間，避免在不安全的數據讀取時間進行操作，以防止轉換結果出錯。

五、數據讀取選項

AD7985有三種數據讀取選項：轉換期間讀取、跨采集和轉換階段分割讀取以及采集期間讀取。選擇哪種讀取選項主要取決于所需的SCK頻率。在轉換期間讀取時，主機需要使用快速的SCK；分割讀取可以允許較慢的SCK；采集期間讀取在正常模式下可實現最大吞吐量，但在Turbo模式下無法達到2.5 MSPS。

六、應用與布局建議

1. 應用領域

AD7985適用于多種應用場景，如電池供電設備、通信、ATE、數據采集系統和醫療儀器等。其低功耗和高分辨率的特點使其在這些領域具有很大的優勢。

2. 布局建議

在設計PCB時，要將模擬和數字部分分開，并將它們限制在電路板的特定區域。避免在器件下方鋪設數字線路，防止噪聲耦合到芯片上。至少使用一個接地平面，可以是公共的或在數字和模擬部分之間分割。同時，要對電壓參考輸入和電源進行適當的去耦，以減少噪聲干擾。

綜上所述，AD7985是一款性能出色的16位ADC，具有高分辨率、低功耗、靈活的接口模式等優點。在實際設計中，工程師需要根據具體應用需求，合理選擇驅動放大器、電壓參考和數據讀取方式，并注意PCB布局，以充分發揮AD7985的性能優勢。大家在使用AD7985的過程中，有沒有遇到過什么問題或者有什么獨特的設計經驗呢？歡迎在評論區分享交流。