16位100 kSPS PulSAR差分ADC AD7684：性能與應用詳解

在電子設計領域，模擬 - 數字轉換器（ADC）是連接模擬世界和數字世界的關鍵橋梁。AD7684作為一款16位的ADC，在眾多應用場景中展現出了卓越的性能。下面我們就來深入了解一下這款產品。

文件下載：AD7684.pdf

1. 產品特性

1.1 高精度與高速度

AD7684具備16位分辨率且無失碼，能夠提供精確的轉換結果。其吞吐量可達100 kSPS，能滿足大多數高速數據采集的需求。INL（積分非線性誤差）典型值為±1 LSB，最大值為±3 LSB，保證了轉換的線性度。

1.2 寬輸入范圍與單電源操作

它支持真正的差分模擬輸入范圍為±VREF，并且在兩個輸入上，VREF最高可達VDD，輸入范圍為0 V到VREF。同時，該ADC采用單電源供電，電壓范圍為2.7 V至5.5 V，這使得它在不同電源環境下都能穩定工作。

1.3 低功耗設計

AD7684的功耗表現十分出色。在5 V電源下功耗為4 mW，2.7 V電源下為1.5 mW，當工作在2.7 V且采樣率為10 kSPS時，功耗僅為150 μW。此外，其待機電流低至1 nA，非常適合電池供電的設備。

1.4 兼容多種接口

它擁有SPI?、QSPI - ?、MICROWIRE - ?、DSP兼容的串行接口，方便與各種數字設備進行通信。

1.5 小封裝設計

采用8引腳的MSOP封裝，節省了電路板空間，適用于對空間要求較高的應用。

2. 應用領域

AD7684的特性使其在多個領域都有廣泛的應用：

• 電池供電設備：低功耗的特點使其成為電池供電設備的理想選擇，如便攜式儀器、可穿戴設備等。
• 數據采集：高精度和高速度的轉換能力，能夠滿足數據采集系統對數據準確性和實時性的要求。
• 儀器儀表：在各類儀器儀表中，提供精確的模擬信號轉換，確保測量結果的可靠性。
• 醫療儀器：醫療設備對精度和穩定性要求極高，AD7684能夠滿足這些需求，如心電監測儀、血糖儀等。
• 過程控制：在工業過程控制中，實現對模擬信號的準確采集和處理，保障生產過程的穩定運行。

3. 技術規格

3.1 電氣參數

• 分辨率：16位
• 模擬輸入：電壓范圍為±VREF，絕對輸入電壓為 - 0.1 VDD + 0.1 V，共模輸入范圍為0至VREF/2 + 0.1 V，模擬輸入CMRR（共模抑制比）在fIN = 100 kHz時為65 dB。
• 吞吐量：完整周期為10 μs，吞吐量速率為0至100 kSPS，DCLOCK頻率為0至2.9 MHz。
• 參考電壓：范圍為0.5 VDD + 0.3 V，負載電流在特定條件下為50 μA。
• 數字輸入輸出：邏輯電平有明確規定，數據格式為串行16位二進制補碼。

3.2 精度指標

在不同電源電壓和溫度條件下，AD7684都能保持較高的精度。例如，在VDD = 5 V、VREF = VDD、TA = - 40°C至 + 85°C的條件下，無失碼，積分線性誤差典型值為±1 LSB，最大值為±3 LSB；增益誤差溫度漂移為±0.3 ppm/°C至±15 ppm/°C；零誤差在 - 0.4 mV至 + 1.6 mV之間，零溫度漂移為±0.3 ppm/°C；電源靈敏度為±0.05 LSB。

3.3 交流精度

在fIN = 1 kHz時，信噪比（SNR）為88至91 dB，無雜散動態范圍（SFDR）為 - 108 dB，總諧波失真（THD）為 - 106 dB，信噪失真比（SINAD）為88至91 dB，有效位數（ENOB）為14.8位。

4. 工作原理

4.1 轉換操作

AD7684是基于電荷再分配DAC的逐次逼近型ADC。在采集階段，電容陣列連接到模擬輸入，采集+IN和 - IN輸入上的模擬信號。當采集階段完成且CS輸入變低時，轉換階段開始。通過切換電容陣列的各個元素，使比較器達到平衡，最終生成ADC輸出代碼。

4.2 傳輸函數

其理想傳輸函數明確了不同模擬輸入電壓對應的數字輸出代碼。例如，當VREF = 5 V時，FSR - 1 LSB對應的模擬輸入電壓為 + 4.999847 V，數字輸出代碼為7FFF；Midscale對應的模擬輸入電壓為0 V，數字輸出代碼為0000。

5. 應用設計要點

5.1 模擬輸入

模擬輸入（+IN， - IN）需要以180°的相位差進行差分驅動。如果將任一輸入固定在GND或固定直流電壓上，會導致轉換結果錯誤。輸入結構中的二極管提供ESD保護，但要注意輸入信號不能超過電源軌0.3 V。當驅動電路的源阻抗較低時，AD7684可以直接驅動；源阻抗較大時，會顯著影響交流性能，尤其是THD。

5.2 驅動放大器選擇

驅動放大器需要滿足低噪聲和THD性能要求。AD7684本身噪聲水平較低，因此可以使用噪聲稍高的運算放大器，但仍需保證系統性能。對于多通道復用應用，驅動放大器和AD7684模擬輸入電路需要能夠在16位水平上實現滿量程階躍的穩定。推薦的驅動放大器有ADA4841 - x、ADA4941 - 1等。

5.3 電壓參考輸入

AD7684的電壓參考輸入REF具有動態輸入阻抗，需要由低阻抗源驅動，并在REF和GND引腳之間進行有效的去耦。使用低溫度漂移的參考電壓或參考緩沖器時，10 μF的陶瓷芯片電容可實現最佳性能，較小的電容值（如2.2 μF）對性能影響較小。

5.4 電源

AD7684在每個轉換階段結束后會自動掉電，功耗與采樣率成線性關系，適合低采樣率和電池供電應用。

5.5 數字接口

該ADC與SPI、QSPI、數字主機和DSP兼容。在CS下降沿啟動轉換和數據傳輸，數據位通過DCLOCK下降沿依次輸出，數據在DCLOCK的兩個邊沿都有效。

5.6 布局

印刷電路板設計時，應將模擬和數字部分分開，并使用至少一個接地平面。避免數字線路在器件下方布線，防止噪聲耦合到芯片上。快速切換信號應遠離模擬信號路徑，避免數字和模擬信號交叉。同時，要對電壓參考輸入和電源進行去耦處理。

6. 總結

AD7684作為一款高性能的16位ADC，憑借其高精度、高速度、低功耗、小封裝等優點，在多個領域都有出色的表現。在實際應用中，工程師需要根據具體需求，合理選擇驅動放大器、電壓參考源，進行優化的布局設計，以充分發揮AD7684的性能。你在使用AD7684或其他ADC時，遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗。