AD7683 16 位 ADC 芯片的詳細解析與設計應用

在電子工程師的日常工作中，模數轉換器（ADC）是一個至關重要的組件。今天我們就來深入探討一款性能出色的 16 位 ADC——AD7683，看看它在設計和應用方面有哪些值得關注的地方。

文件下載：AD7683.pdf

一、ADC 選型參考

從表格中我們可以看到，AD7683 屬于 16 位偽差分類型，適用于 100 kSPS 的采樣速率。

二、AD7683 規格參數

（一）電氣特性

AD7683 的工作電壓范圍為 (VDD = 2.7 ~V) 到 5.5 V，參考電壓 (VREF = VDD)，工作溫度范圍是 (T_{A}=-40^{circ} C) 到 +85°C。以下是其各項規格參數：

1. 分辨率：16 位
2. 模擬輸入
   • 電壓范圍：(+IN - (-IN)) 為 0 到 (VREF) V
   • 絕對輸入電壓：(+IN) 為 (-0.1) 到 (VDD + 0.1) V，(-IN) 為 (-0.1) 到 (0.1) V
   • 模擬輸入共模抑制比（CMRR）：(fIN = 100 kHz) 時為 65 dB
   • 泄漏電流：25°C 時為 1 nA
   • 輸入阻抗：采集階段參考模擬輸入部分
3. 吞吐量速度
   • 完整周期吞吐量速率：0 到 100 kSPS
   • (DCLOCK) 頻率：0 到 2.9 MHz
4. 參考
   • 電壓范圍：0.5 到 (VDD + 0.3) V
   • 負載電流：100 kSPS，(V+IN - V?IN = VREF/2 = 2.5 V) 時為 50 μA
5. 數字輸入
   • 邏輯電平：(VIL) 為 (-0.3) 到 (0.3 × VDD) V，(VIH) 為 (0.7 × VDD) 到 (VDD + 0.3) V
   • 輸入電流：(IIL) 為 (-1) 到 (+1) μA，(IIH) 為 (-1) 到 (+1) μA
   • 輸入電容：5 pF
6. 數字輸出
   • 數據格式：串行，16 位直二進制
   • (VOH)（(ISOURCE = -500 μA)）：(VDD - 0.3) V
   • (VOL)（(ISINK = +500 μA)）：0.4 V
7. 電源
   • (VDD) 額定性能：2.7 到 5.5 V
   • (VDD) 范圍：2.0 到 5.5 V
   • 工作電流：100 kSPS 吞吐量，(VDD = 5 V) 時為 800 μA
   • 待機電流：(VDD = 5 V)，25°C 時為 560 nA；(VDD = 2.7 V) 時為 150 nA
   • 功耗：(VDD = 5 V) 時為 4 到 6 mW；(VDD = 2.7 V) 時為 1.5 mW；(VDD = 2.7 V)，10 kSPS 吞吐量時為 150 μW
8. 溫度范圍：額定性能溫度范圍為 (-40) 到 (+85^{circ}C)

（二）精度指標

（三）時序規格

三、AD7683 工作原理

（一）轉換器操作

AD7683 是基于電荷再分配 DAC 的逐次逼近型 ADC。在采集階段，電容陣列的端子通過 (SW+) 和 (SW?) 連接到 GND，所有獨立開關連接到模擬輸入。此時，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 (overline{CS}) 輸入變低時，轉換階段開始。轉換階段開始時，(SW+) 和 (SW?) 打開，兩個電容陣列與輸入斷開并連接到 GND 輸入。這樣，采集階段結束時捕獲的輸入 (+IN) 和 (-IN) 之間的差分電壓被施加到比較器輸入，使比較器失衡。通過將電容陣列的每個元素在 GND 和 REF 之間切換，比較器輸入以二進制加權電壓步長（(VREF/2)，(VREF/4)，...，(VREF/65,536)）變化。控制邏輯從最高有效位（MSB）開始切換這些開關，使比較器恢復平衡。完成此過程后，器件返回采集階段，控制邏輯生成 ADC 輸出代碼。

（二）傳輸函數

四、設計要點

（一）模擬輸入

AD7683 的模擬輸入結構包含兩個二極管 (D1) 和 (D2)，用于為模擬輸入 (+IN) 和 (-IN) 提供 ESD 保護。使用時要注意模擬輸入信號不能超過電源軌 0.3 V，否則二極管會正向偏置并導通電流。該模擬輸入結構允許對 (+IN) 和 (-IN) 之間的差分信號進行采樣，通過使用 (-IN) 來感應遠程信號地，可以消除傳感器和本地 ADC 地之間的地電位差。在采集階段，模擬輸入 (+IN) 的阻抗可以建模為電容 (CPIN) 與由 (R{IN}) 和 (C{IN}) 串聯形成的網絡的并聯組合。(R{IN}) 和 (C{IN}) 構成一個 1 極點低通濾波器，可減少不希望的混疊效應并限制噪聲。當驅動電路的源阻抗較低時，AD7683 可以直接驅動；而大的源阻抗會顯著影響交流性能，尤其是總諧波失真（THD），不過直流性能對輸入阻抗不太敏感。

（二）驅動放大器選擇

雖然 AD7683 易于驅動，但驅動放大器需要滿足以下要求：

1. 驅動放大器產生的噪聲應盡可能低，以保持 AD7683 的信噪比（SNR）和過渡噪聲性能。由于 AD7683 的噪聲系數比大多數其他 16 位 ADC 低得多，因此可以使用噪聲較大的運算放大器來驅動，同時保持相同或更好的系統性能。驅動放大器的噪聲會被 AD7683 的模擬輸入電路（由 (R{IN}) 和 (C{IN}) 組成的 1 極點低通濾波器）或外部濾波器（如果使用）過濾。
2. 對于交流應用，驅動放大器的 THD 性能應適合 AD7683 的要求。
3. 對于多通道復用應用，驅動放大器和 AD7683 模擬輸入電路必須能夠在 16 位水平（0.0015%）上對電容陣列的滿量程階躍進行穩定。在選擇驅動放大器之前，應驗證其在 16 位水平的穩定時間。推薦的驅動放大器包括 ADA4841 - 1、OP184、AD8605、AD8615、AD8519 和 AD8031 等。

（三）電壓參考輸入

AD7683 的電壓參考輸入 REF 具有動態輸入阻抗，因此應使用低阻抗源驅動，并在 REF 和 GND 引腳之間進行有效去耦。當 REF 由非常低阻抗的源（如低溫度漂移的 ADR435 參考電壓或使用 AD8031 或 AD8605 的參考緩沖器）驅動時，一個 10 μF（X5R，0805 尺寸）的陶瓷芯片電容適合實現最佳性能。如果需要，也可以使用低至 2.2 μF 的較小參考去耦電容，對性能（尤其是 DNL）的影響最小。

（四）電源

AD7683 在每個轉換階段結束時會自動掉電，因此功耗與采樣率成線性關系。這使得該器件非常適合低采樣率（甚至幾 Hz）和低功耗電池供電應用。

（五）數字接口

AD7683 與 SPI?、QSPI?、數字主機、MICROWIRE? 和 DSP（如 Blackfin? ADSP - BF531、ADSP - BF532、ADSP - BF533 或 ADSP - 2191M）兼容。(overline{CS}) 的下降沿啟動轉換和數據傳輸。在第五個 (DCLOCK) 下降沿之后，(Dout) 被使能并強制為低。數據位隨后由后續的 (DCLOCK) 下降沿以 MSB 優先的方式時鐘輸出。數據在 (DCLOCK) 的兩個邊沿都有效，但使用 (DCLOCK) 下降沿的數字主機可以實現更快的讀取速率，前提是它具有可接受的保持時間。

（六）布局

在設計 PCB 時，應將模擬和數字部分分開并限制在電路板的特定區域。AD7683 的引腳配置使得所有模擬信號在左側，所有數字信號在右側，便于實現這一點。應避免在器件下方運行數字線路，除非使用接地平面作為屏蔽，以防止噪聲耦合到芯片上。快速開關信號（如 (overline{CS}) 或時鐘）不應靠近模擬信號路徑，避免數字和模擬信號交叉。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開，在 AD7683 下方連接。AD7683 的電壓參考輸入 REF 應使用陶瓷電容進行去耦，以減少寄生電感。最后，使用一個典型值為 100 nF 的陶瓷電容對 AD7683 的電源 VDD 進行去耦，連接時使用短而寬的走線，以提供低阻抗路徑并減少電源線上的毛刺影響。

五、總結

AD7683 是一款性能出色的 16 位 ADC，具有低功耗、高采樣率和良好的精度等優點。在設計應用中，我們需要根據其規格參數和工作原理，合理選擇驅動放大器、進行電壓參考輸入和電源設計，同時注意 PCB 布局，以確保其性能的充分發揮。各位工程師在實際應用中，不妨多嘗試和探索，看看 AD7683 能為你的項目帶來怎樣的驚喜。你在使用 ADC 時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享。