AD7150：超低功耗電容式接近感應轉換器的卓越之選

在電子設計領域，對于接近感應應用，一款性能出色的電容式轉換器至關重要。今天，我們就來深入了解一下Analog Devices推出的AD7150，一款超低功耗的2通道電容式轉換器。

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一、產品概述

AD7150為電容式接近傳感器提供了完整的信號處理解決方案，其核心是一個超低功耗且響應時間快速的轉換器。與之相對的，AD7151是單通道、低功耗的替代產品。

AD7150采用了ADI的電容 - 數(shù)字轉換器（CDC）技術，具備高輸入靈敏度，并且對輸入寄生接地電容和泄漏電流有很高的容忍度，這使得它在與實際傳感器接口時表現(xiàn)出色。同時，其集成的自適應閾值算法能夠補償由于環(huán)境因素（如濕度、溫度）或介電材料隨時間變化而導致的傳感器電容變化。

二、產品特性

2.1 電源與功耗

AD7150的工作電源電壓范圍為2.7V至3.6V，典型電流僅100μA，響應時間為10ms，非常適合對功耗要求嚴格的應用場景。

2.2 輸入通道與電容范圍

它擁有2個獨立的電容輸入通道，傳感器電容（CSENS）范圍從0pF到13pF，靈敏度可達1fF，并且經過了EMC測試，確保在復雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

2.3 工作模式

AD7150有兩種工作模式：一種是使用固定上電設置的獨立模式，通過兩個數(shù)字輸出指示檢測結果；另一種是通過串行接口與微控制器連接，用戶可以自定義設置內部寄存器，并讀取數(shù)據和狀態(tài)。

2.4 輸出與接口

具備2個接近檢測輸出標志，采用2線串行接口（I2C兼容），工作溫度范圍為 - 40°C至 + 85°C，封裝為10引腳MSOP。

三、應用領域

AD7150的應用十分廣泛，包括接近感應、非接觸式開關、位置檢測和液位檢測等領域。

四、技術細節(jié)

4.1 電容 - 數(shù)字轉換器（CDC）

AD7150的核心CDC由二階sigma delta（Σ - Δ）電荷平衡調制器和三階數(shù)字濾波器組成。測量電容 (C{x}) 連接在激勵源和Σ - Δ調制器輸入之間，激勵信號在轉換期間施加到 (C{x}) 上，調制器連續(xù)采樣通過 (C_{x}) 的電荷。數(shù)字濾波器處理調制器輸出的0和1數(shù)據流，這些數(shù)據經過自適應閾值引擎和輸出比較器處理，也可以通過串行接口讀取。

4.2 CAPDAC

CDC的最大滿量程輸入范圍為4pF，但通過可編程的片上CAPDAC，可以平衡高達10pF的偏移（非變化分量）電容。CAPDAC可理解為內部連接到CIN引腳的負電容，具有6位分辨率和單調傳遞函數(shù)。

4.3 自適應閾值

在自適應閾值模式下，AD7150可以動態(tài)調整CAPDAC，使CDC保持在最佳電容工作范圍內。當AutoDAC功能啟用時，若數(shù)據平均值超過CDC滿量程的四分之三，CAPDAC值自動增加；若低于四分之一，則自動減小。

4.4 數(shù)據平均

數(shù)據平均的響應可以用指數(shù)方程描述，通過設置ThrSettling位可以選擇時間常數(shù)，范圍在2到65,536個轉換周期倍數(shù)之間，以2的冪次為步長。

4.5 靈敏度與遲滯

靈敏度寄存器用于設置自適應閾值模式下正閾值和負閾值與數(shù)據平均值的距離。遲滯位（Hyst）在自適應閾值模式下，當Hyst = 1時禁用遲滯，在固定閾值模式下遲滯始終禁用。

4.6 超時設置

超時寄存器用于設置自適應閾值模式下的超時時間，包括接近超時和后退超時。當超時發(fā)生時，數(shù)據平均值（以及閾值）將立即跟隨新的CDC數(shù)據值。

4.7 電源管理

• 電源關閉定時器：在對功耗敏感的應用中，AD7150可以在輸出未激活的編程時間段后自動進入掉電模式，并可通過串行接口或電源開關序列恢復正常工作。
• 電源監(jiān)控器：當VDD電源電壓下降到低于CDC正確運行所需的定義水平時，片上電源監(jiān)控器會停止自適應閾值邏輯并將其保持在復位狀態(tài)。當VDD恢復到所需水平時，閾值邏輯釋放，數(shù)據平均值重置為在正確電源電壓下完成的第一次轉換的值。

五、寄存器配置

AD7150有多個寄存器，包括狀態(tài)寄存器、數(shù)據寄存器、平均寄存器、固定閾值寄存器、靈敏度寄存器、超時寄存器、設置寄存器、配置寄存器、電源關閉定時器寄存器、CAPDAC寄存器、序列號寄存器和芯片ID寄存器等。每個寄存器都有其特定的功能和位定義，通過合理配置這些寄存器，可以實現(xiàn)對AD7150的靈活控制。

六、硬件設計考慮

在硬件設計時，需要考慮寄生電容、寄生電阻、輸入過壓保護、輸入EMC保護以及電源去耦和濾波等因素。例如，VDD引腳應使用低阻抗電容（如0.1μF X7R多層陶瓷電容）去耦到GND；輸入引腳的寄生電容和電阻會影響轉換器的性能，需要進行合理的布局和設計。

七、總結

AD7150以其超低功耗、高靈敏度、自適應補償?shù)忍匦裕瑸殡娙菔浇咏袘獞锰峁┝艘粋€優(yōu)秀的解決方案。在實際設計中，工程師們可以根據具體的應用需求，合理配置寄存器，優(yōu)化硬件設計，充分發(fā)揮AD7150的性能優(yōu)勢。大家在使用AD7150的過程中，有沒有遇到過一些特別的問題或者有什么獨特的應用經驗呢？歡迎在評論區(qū)分享。