ADC121C021/ADC121C021Q/ADC121C027数据手册

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的ADC121C021/ADC121C021Q/ADC121C027这三款12位I²C兼容的ADC，它们以其出色的性能和丰富的功能，在众多应用场景中展现出强大的竞争力。

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产品概述

ADC121C021、ADC121C021Q和ADC121C027是低功耗、单芯片的12位ADC，工作电源范围为+2.7V至+5.5V。其基于逐次逼近寄存器（SAR）架构，内置跟踪 - 保持电路，能够处理高达11MHz的输入频率。这些转换器具有I²C兼容的串行接口，支持标准（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）模式，为不同应用场景提供了灵活的选择。

关键特性

1. I²C兼容接口：支持三种速度模式，满足不同数据传输速率的需求。
2. 宽电源范围：+2.7V至+5.5V的电源范围，增强了产品的适用性。
3. 多芯片地址选择：VSSOP封装最多支持九个引脚可选的芯片地址，方便在多设备系统中使用。
4. 超范围报警功能：当模拟输入超出可编程的上下限阈值时，可触发中断，及时反馈异常情况。
5. 自动掉电模式：在不进行转换时自动进入低功耗状态，降低整体功耗。
6. 小型封装：提供6引脚SOT和8引脚VSSOP两种小型封装，节省电路板空间。
7. 汽车级产品：ADC121C021Q符合AEC - Q100 2级标准，适用于汽车电子应用。

应用领域

这些ADC广泛应用于系统监控、峰值检测、便携式仪器、医疗仪器、测试设备和汽车电子等领域。其高精度、低功耗和小型封装的特点，使其成为电池供电设备的理想选择。

关键规格参数

分辨率和转换时间

• 分辨率：12位无丢失码，确保了高精度的转换结果。
• 转换时间：典型值为1µs，快速完成模拟信号到数字信号的转换。

线性度和吞吐量

• INL和DNL：最大±1 LSB（高达22ksps），保证了良好的线性度。
• 吞吐量：最大可达188.9 ksps，满足高速数据采集的需求。

功耗

• 在22 ksps、3V电源下，典型功耗为0.26 mW；5V电源下，典型功耗为0.78 mW。自动掉电模式下，功耗可降至1µW以下，显著降低了系统能耗。

功能详细解析

转换器操作

ADC121C021在跟踪和保持模式下的工作原理如下：

• 跟踪模式：在每个转换周期开始时（SDA的ACK下降沿），开关SW1将采样电容连接到模拟输入通道，SW2使比较器输入相等，此状态持续约0.4µs。
• 保持模式：SW1将采样电容连接到地，SW2使比较器失衡。控制逻辑指示电荷再分配DAC向采样电容添加或减去固定电荷量，直至比较器平衡，此时DAC的数字字即为模拟输入电压的数字表示，并存储在转换结果寄存器中。

模拟输入

模拟输入的工作范围为0V至$V_{A}$，超出此范围可能导致ESD二极管导通，影响正常工作。为获得最佳性能，建议使用低阻抗源（小于100Ω）驱动ADC，可通过缓冲放大器来限制源阻抗，并添加带通或低通滤波器以减少输入噪声。

参考电压

ADC使用电源$V{A}$作为参考电压，因此$V{A}$必须干净无噪声。可参考典型应用电路，采用合适的方法驱动参考输入。

上电复位

当电源电压超过上电复位阈值时，会发生内部上电复位（POR）。每个寄存器在POR时包含定义的值，直至完成第一次转换、向可写寄存器写入不同数据字或ADC掉电。若电源电压低于2.4V，内部寄存器将丢失内容，需将$V_{A}$电源降至最大200mV后再升高，以正确复位设备。

内部寄存器

ADC121C021拥有8个内部数据寄存器和一个地址指针，用于存储转换结果、设置报警阈值和配置设备操作。各寄存器功能如下：

• 地址指针寄存器：确定要访问的寄存器地址，默认指向转换结果寄存器。
• 转换结果寄存器：存储最近一次转换的结果，在正常模式下，读取该寄存器会启动新的转换。
• 报警状态寄存器：指示是否超出高低阈值，相应标志位可通过特定条件清除。
• 配置寄存器：配置自动转换模式、报警保持、报警标志使能、报警引脚使能和极性等功能。
• 报警限制寄存器：设置上下限阈值，用于判断报警条件。
• 报警迟滞寄存器：存储迟滞值，用于确定报警清除条件。
• 最低转换寄存器：在自动转换模式下，存储最低转换结果。
• 最高转换寄存器：在自动转换模式下，存储最高转换结果。

串行接口

I²C兼容接口支持标准 - 快速模式（100kHz和400kHz）和高速模式（3.4MHz）。通信时，SCL和SDA总线需上拉电阻或电流源，逻辑0通过拉低输出传输，逻辑1通过释放输出并由外部上拉传输。

• 基本I²C协议：I²C接口是双向的，允许多个设备在同一总线上通信。主设备控制总线，通过发送从设备地址并监听响应（ACK或NACK）来与特定设备通信。
• 标准 - 快速模式：主设备通过拉低SDA同时保持SCL高电平来产生起始条件，随后发送7位从设备地址和读写位。根据操作类型，依次发送寄存器地址指针和数据，并根据ACK信号进行相应处理。
• 高速（Hs）模式：通信开始时，总线先在标准 - 快速模式下运行，主设备发送8位Hs主代码，ADC响应NACK后，主设备切换到高速模式，再次发送从设备地址进行通信。

报警功能

当测量电压超出高低阈值时，会触发报警条件。报警状态可通过报警状态寄存器、转换结果寄存器的MSB和ALERT输出引脚（需相应使能）指示。报警条件可通过特定条件清除，如控制器写入1或测量电压回到正常范围（需清除报警保持位）。

自动转换模式

通过向配置寄存器的周期时间位写入非零值，可激活自动转换模式。在此模式下，ADC持续进行转换，无需控制器的“读取”指令。内部振荡器始终启用，控制逻辑按设定的采样率对输入进行采样，转换结果存储在寄存器中，并更新状态寄存器。同时，超范围报警功能和$V{MIN}$、$V{MAX}$寄存器的比较更新功能也正常工作。

典型应用电路设计

典型应用电路

在典型应用电路中，模拟电源需通过靠近ADC的电容网络进行旁路，以确保$V{A}$干净稳定。总线拉上电阻应连接到与$V{A}$相同的电压电位，以保证逻辑电平兼容。对于高速模式应用，可添加旁路电容提高ADC精度。拉上电阻值根据I²C总线特性选择，一般建议高速模式使用1kΩ电阻，标准或快速模式使用5kΩ电阻。

缓冲输入电路

缓冲输入电路使用德州仪器的LMP7731对模拟输入进行缓冲，采用非反相放大器配置为单端源提供缓冲增益级，适用于单端传感器接口。同时，可选用LM4132作为高精度参考源。

智能电池监测

ADC121C021可轻松实现智能电池监测功能。通过电阻分压器和固定参考源，结合报警功能，可实现窗口监控。在充电和放电过程中，及时反馈电池状态，控制器可根据电压读数和报警信息优化电池使用效率。

涓流充电控制

在电池放电时，利用ADC的报警输出控制涓流充电，使电池保持接近满容量状态，避免过充损坏电池，提高电池使用寿命。

布局、接地和旁路设计要点

为确保ADC的高精度和低噪声性能，PCB设计应遵循以下原则：

• 分区设计：将模拟和数字区域分开，通过模拟和数字电源平面定义区域，最好位于同一板层。可采用“围栏”技术防止模拟和数字地电流混合，必要时使用单独的接地平面并在靠近ADC处连接。
• 电源旁路：使用4.7µF和0.1µF电容对ADC电源进行旁路，0.1µF电容应靠近设备电源引脚。
• 信号布线：避免模拟和数字信号交叉，将时钟和数据线布置在元件侧，并控制其阻抗。

总结

ADC121C021/ADC121C021Q/ADC121C027以其高性能、低功耗、丰富功能和小型封装的特点，为电子工程师在各种应用场景中提供了优秀的解决方案。通过合理的电路设计、布局和接地处理，能够充分发挥其优势，实现高精度、可靠的模拟 - 数字转换。在实际设计中，工程师们需根据具体需求，灵活运用这些特性，打造出更优质的电子产品。

你在使用这些ADC的过程中，遇到过哪些有趣的挑战或问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。