詳解 AD7656/AD7657/AD7658：高性能多通道 ADC 的設(shè)計利器

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是極為關(guān)鍵的元件，它能將模擬信號精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，廣泛用于各類電子設(shè)備中。今天，我們就來深入剖析 Analog Devices 公司推出的 AD7656/AD7657/AD7658 這幾款 6 - 通道、同步采樣、雙極性 16 -/14 -/12 位 ADC，看看它們有哪些獨特之處，能為我們的設(shè)計帶來怎樣的便利。

文件下載：AD7657.pdf

一、產(chǎn)品概述

AD7656/AD7657/AD7658 采用 iCMOS（工業(yè) CMOS）工藝，將六個 16 -/14 -/12 位的快速、低功耗逐次逼近型 ADC 集成在一個封裝中。這種工藝將高電壓硅與亞微米 CMOS 和互補雙極技術(shù)相結(jié)合，使得器件能夠處理高達 33V 的電壓，同時顯著降低了功耗和封裝尺寸。它支持高達 250kSPS 的吞吐量，可處理頻率高達 12MHz 的輸入信號，并且具備真正的雙極性模擬輸入，輸入范圍可通過引腳或軟件選擇為 ±10V 或 ±5V。

二、產(chǎn)品特性亮點

1. 高性能 ADC 陣列：板載六個 16 -/14 -/12 位、250kSPS 的 ADC，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道的同步采樣，大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率和準(zhǔn)確性。
2. 雙極性高阻抗輸入：六個真正的雙極性、高阻抗模擬輸入通道，可直接處理雙極性信號，無需額外的信號調(diào)理電路，簡化了設(shè)計流程。
3. 豐富的接口模式：提供并行和高速串行接口，支持 SPI、QSPI、MICROWIRE 和 DSP 兼容的串行通信協(xié)議，還具備菊花鏈功能，方便多個 ADC 級聯(lián)，滿足不同系統(tǒng)的連接需求。
4. 低功耗設(shè)計：正常工作模式下功耗僅 140mW，待機模式下最大功耗僅 100μW，適合對功耗要求較高的應(yīng)用場景。
5. 內(nèi)置參考和緩沖：集成了 2.5V 的內(nèi)部參考和參考緩沖器，減少了外部元件的使用，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

三、詳細技術(shù)參數(shù)

這三款 ADC 在不同的性能指標(biāo)上有各自的特點，下面我們分別來看一下它們的關(guān)鍵參數(shù)：

• AD7656：16 位分辨率，在 50kHz 輸入頻率下，信噪比（SNR）典型值可達 86.5dB，總諧波失真（THD）典型值為 - 92dB（VDD/VSS = ±5V 至 ±10V 時）， - 100dB（VDD/VSS = ±12V 至 ±16.5V 時）。
• AD7657：14 位分辨率，SNR 最小為 81.5dB（B 版本）和 82.5dB（Y 版本），典型值為 83.5dB，THD 典型值為 - 89dB 至 - 92dB。
• AD7658：12 位分辨率，SNR 最小為 73dB，典型值為 73.5dB，THD 典型值為 - 92dB。

四、工作原理與功能模塊

1. 轉(zhuǎn)換過程控制：通過 CONVST 信號和內(nèi)部振蕩器控制轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集。三個 CONVST 引腳可獨立控制三對 ADC 進行同步采樣，當(dāng) CONVSTx 信號從低電平變?yōu)楦唠娖綍r，所選 ADC 對的跟蹤保持開關(guān)從跟蹤模式切換到保持模式，并啟動轉(zhuǎn)換。
2. 跟蹤保持放大器：具備低噪聲、寬帶寬的跟蹤保持放大器，輸入帶寬大于 ADC 的奈奎斯特速率，可處理高達 12MHz 的輸入頻率。在 CONVSTx 信號上升沿，所有跟蹤保持放大器同時采樣，孔徑時間為 10ns，且各通道之間的孔徑延遲匹配良好，確保了多通道采樣的同步性。
3. 模擬輸入部分：能夠處理真正的雙極性輸入電壓，通過 RANGE 引腳或控制寄存器中的 RNGx 位選擇輸入范圍。輸入結(jié)構(gòu)包含 ESD 保護二極管，使用時需注意輸入信號不要超過 VDD 和 VSS 電源軌 300mV。
4. 參考部分：REFIN/REFOUT 引腳可提供內(nèi)部 2.5V 參考，也可連接外部參考源。內(nèi)部有三個參考緩沖器，每個 ADC 對對應(yīng)一個，需要在 REFCAPA、REFCAPB 和 REFCAPC 引腳外接去耦電容。

五、接口模式與使用方法

1. 并行接口：通過 SER/PAR 引腳選擇并行接口模式（SER/PAR = 0），可工作在字模式（W/B = 0）或字節(jié)模式（W/B = 1）。在字模式下，可通過 CS 和 RD 信號讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果；在字節(jié)模式下，DB7/HBEN/DCEN 引腳用于控制數(shù)據(jù)的高低字節(jié)讀取順序。
2. 串行接口：選擇串行接口模式（SER/PAR = 1）時，使用 CS 和 SCLK 信號進行數(shù)據(jù)傳輸。可通過一個、兩個或三個 DOUT 引腳讀取數(shù)據(jù)，支持菊花鏈模式，方便多個 ADC 級聯(lián)。
3. 軟件選擇 ADC：通過 H/S SEL 引腳選擇軟件模式，可通過控制寄存器選擇要同步采樣的 ADC 對和輸入范圍。控制寄存器是一個 8 位的只寫寄存器，使用 CS 和 WR 引腳以及 DB[15:8] 數(shù)據(jù)引腳進行寫入操作。

六、應(yīng)用提示與設(shè)計要點

1. 布局設(shè)計：在 PCB 設(shè)計時，要將模擬和數(shù)字部分分開，使用至少一個接地平面，可采用公共或分割平面。分割平面時，數(shù)字和模擬接地平面應(yīng)在一處連接，最好靠近 ADC。避免數(shù)字線路在器件下方走線，防止噪聲耦合到芯片上。快速切換信號（如 CONVST 或時鐘）應(yīng)使用數(shù)字接地屏蔽，避免與模擬信號路徑靠近。
2. 電源供應(yīng)配置：確保在施加模擬輸入之前先給 ADC 供電。如果系統(tǒng)的模擬信號調(diào)理電路電源與 ADC 的 VDD 和 VSS 電源不同，或者模擬輸入可能在 ADC 電源建立之前施加，建議在模擬輸入上串聯(lián)電阻，并在 VDD 和 VSS 電源上串聯(lián)肖特基二極管。同時，要對電源引腳進行良好的去耦，使用 100nF 的陶瓷電容和 10μF 的低 ESR 電容。
3. 驅(qū)動模擬輸入：驅(qū)動放大器需要在規(guī)定的 550ns 采集時間內(nèi)，將滿量程階躍輸入穩(wěn)定到 16 位精度（0.0015%），并且要盡量降低噪聲，以保證 ADC 的 SNR 和轉(zhuǎn)換噪聲性能。推薦使用 AD8021、AD8022、AD8610 和 AD797 等放大器。

七、總結(jié)與思考

AD7656/AD7657/AD7658 憑借其高性能、多通道同步采樣、低功耗和豐富的接口模式等特點，為電子工程師在電力線監(jiān)測系統(tǒng)、儀器儀表和控制系統(tǒng)、多軸定位系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域提供了強大的設(shè)計工具。在實際設(shè)計過程中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的型號，并注意布局、電源配置和模擬輸入驅(qū)動等方面的設(shè)計要點，以充分發(fā)揮這些 ADC 的性能優(yōu)勢。

大家在使用 AD7656/AD7657/AD7658 過程中遇到過哪些問題呢？或者對于這類高性能 ADC 的設(shè)計應(yīng)用，你有什么獨特的見解？歡迎在評論區(qū)分享交流。