深入解析 ADC081C021/ADC081C027：低功耗 8 位 ADC 的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，模拟 - 数字转换器（ADC）是至关重要的组件，广泛应用于各种系统监测、峰值检测等领域。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的 ADC081C021 和 ADC081C027 这两款 8 位 ADC，了解它们的特性、工作原理以及应用场景。

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产品特性亮点

接口与速度

ADC081C021 和 ADC081C027 具备 I2C 兼容的 2 线接口，支持标准（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）三种模式。这种多模式支持使得它们能够适应不同的应用需求，无论是对速度要求不高的常规应用，还是对数据传输速度有较高要求的高速场景，都能游刃有余。而且，其 I2C 总线引脚（SCL 和 SDA）具有 8kV HBM 的扩展 ESD 耐受性，这意味着在多板应用中无需额外的 ESD 保护，大大简化了设计。

电源与功耗

这两款 ADC 的电源供应范围为 +2.7V 至 +5.5V，具有很宽的适应性。在功耗方面表现出色，例如在 22ksps 采样率下，3V 供电时典型功耗仅为 0.26mW，5V 供电时为 0.78mW。此外，还具备自动断电模式，在不进行转换时，功耗可降低至小于 1µW，非常适合电池供电的设备。

地址与封装

对于 VSSOP - 8 版本的 ADC081C021，最多可提供九个引脚可选的芯片地址；而 ADC081C027 则通过 ADR0 地址选择输入提供三个引脚可选地址。这种灵活的地址配置方式，使得多个 ADC 可以方便地连接到同一 I2C 总线上。它们采用了非常小的 SOT - 6 和 VSSOP - 8 封装，节省了电路板空间，有利于实现小型化设计。

警报功能

具备超出范围警报功能，当模拟输入超出可编程的上限或下限值时，会激活中断。这个功能在系统监测和保护方面非常有用，可以及时提醒系统采取相应的措施，避免设备因输入异常而损坏。

关键技术指标

分辨率与线性度

分辨率为 8 位，且无丢失代码，保证了数据转换的准确性。积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）在不同电源电压和时钟频率条件下，最大误差均控制在 ±0.25 LSB 以内，确保了良好的线性度。

转换时间与吞吐量

典型转换时间为 1µs，转换速率会随着 I2C 时钟频率（fSCL）的变化而变化，在 fSCL = 3.4MHz 时，最大转换速率可达 188.9ksps，能够满足大多数应用对数据转换速度的要求。

输入特性

模拟输入范围为 0 至 VA，输入电容在跟踪模式下为 30pF，保持模式下为 3pF。输入直流泄漏电流最大为 ±1µA，保证了输入信号的稳定性。

工作原理剖析

转换操作

ADC081C021 和 ADC081C027 基于逐次逼近寄存器架构，内部带有跟踪 - 保持电路。在转换周期开始时，首先进入跟踪模式，此时采样电容连接到模拟输入通道，比较器输入被均衡。大约 0.4µs 后，进入保持模式，采样电容连接到地，比较器失衡，控制逻辑会指示电荷再分配 DAC 对采样电容进行电荷的加减操作，直到比较器平衡，此时 DAC 得到的数字字就是模拟输入电压的数字表示，并存储在转换结果寄存器中。

内部寄存器

这两款 ADC 拥有 8 个内部数据寄存器和一个地址指针。这些寄存器具有多种功能，例如存储最小和最大转换结果、设置警报阈值水平以及配置设备的操作等。其中，转换结果寄存器存储最近一次转换的结果；警报状态寄存器指示是否超过了高或低阈值；配置寄存器用于配置自动转换模式、警报保持、警报标志使能等功能。

自动转换模式

在自动转换模式下，通过配置寄存器的 D7 至 D5 位来确定转换间隔，ADC 会自动开始转换，无需等待上一次转换结果被读取。该模式的主要目的是提供“看门狗”功能，确保输入电压保持在警报限制寄存器设定的范围内。同时，在自动转换模式下，每次转换后都会更新最低和最高转换结果寄存器，方便用户监测输入信号的极值。

应用电路设计

典型应用电路

在典型应用电路中，模拟电源（VA）应通过靠近 ADC 的电容网络进行旁路，以确保 VA 尽可能干净。由于 ADC 使用 VA 作为参考电压，电源的稳定性对转换精度至关重要。总线拉电阻（RP）应由控制器的电源供电，且拉到与 VA 相同的电压电位，以保证总线上所有设备的逻辑电平兼容。对于高速模式应用，可在控制器的电源引脚和拉电阻之间添加适当的旁路电容，以提高 ADC 的精度。

缓冲输入电路

当模拟输入需要缓冲时，可以使用 TI 的 LMP7731 进行缓冲。这种非反相放大器配置为单端源提供了缓冲增益级，适用于单端传感器接口。但需要注意的是，输入信号必须有一个直流偏置电平，以防止 ADC 输入信号低于地或高于电源。

智能电池监测电路

利用 ADC081C021、LP2980 固定参考和电阻分压器，可以实现智能电池监测功能。通过“超出范围”警报功能，当电池充电时，过范围警报会指示充电周期完成；当电池接近耗尽时，欠范围警报会指示电池电量低。此外，控制器还可以随时读取电池电压，从而提高电池供电设备的效率。

布局、接地与旁路要点

为了确保 ADC 的精度和降低噪声，印刷电路板应将模拟和数字区域分开，通过模拟和数字电源平面的位置来定义这两个区域。建议使用单个实心接地平面，但要注意防止数字返回电流流过模拟接地区域。如果需要，可以采用“围栏”技术来避免模拟和数字接地电流混合。ADC 的电源应使用 4.7µF 和 0.1µF 的电容进行旁路，且 0.1µF 电容应尽可能靠近设备的电源引脚。同时，应避免模拟和数字信号交叉，将时钟和数据线布置在电路板的元件侧，并控制其阻抗。

总结

ADC081C021 和 ADC081C027 以其低功耗、宽电源范围、灵活的地址配置、出色的转换性能和实用的警报功能，成为了众多应用场景中的理想选择。无论是系统监测、峰值检测、便携式仪器还是医疗仪器等领域，都能发挥出它们的优势。在实际设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择封装形式、配置内部寄存器，并注意布局、接地和旁路等方面的问题，以充分发挥这两款 ADC 的性能。大家在使用过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。