ADC121S021：单通道12位A/D转换器的卓越之选

在电子设备的设计中，模拟信号与数字信号的转换至关重要，而A/D转换器正是实现这一转换的核心部件。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）推出的一款高性能单通道12位A/D转换器——ADC121S021。

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一、ADC121S021简介

ADC121S021是一款低功耗、单通道CMOS 12位模拟 - 数字转换器，具备高速串行接口。它采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，并内置跟踪保持电路，能在50 ksps至200 ksps的采样率范围内稳定工作。该转换器采用6引脚WSON和SOT - 23封装，可在 - 40°C至85°C的工业温度范围内正常运行。

二、关键特性

2.1 多采样率指定

与传统A/D转换器仅在单一采样率下指定性能不同，ADC121S021在50 ksps至200 ksps的采样率范围内都有完整的性能指标。这使得它在不同应用场景下都能灵活调整采样率，满足多样化的需求。

2.2 可变电源管理

ADC121S021支持2.7 V至5.25 V的单电源供电，正常工作时，使用3.6 V电源的功耗典型值为1.5 mW，使用5.25 V电源的功耗典型值为7.9 mW。此外，它还具备掉电功能，使用5.25 V电源时，掉电模式下的功耗可低至2.6 μW，有效降低了系统的整体功耗。

2.3 串行数据兼容性

输出的串行数据为直二进制格式，与SPI、QSPI、MICROWIRE和许多常见的DSP串行接口兼容，方便与各种微处理器或数字信号处理器进行连接，简化了系统设计。

2.4 高精度性能

典型的DNL（差分非线性）为0.45和 - 0.25 LSB，INL（积分非线性）为0.45和 - 0.4 LSB，SNR（信噪比）为72.3 dB，保证了转换的高精度和低误差。

三、技术规格

3.1 绝对最大额定值

模拟电源电压VA范围为 - 0.3 V至6.5 V，任何数字引脚和模拟引脚相对于GND的电压范围为 - 0.3 V至6.5 V或（VA + 0.3 V），输入电流限制在±10 mA，封装输入电流最大为20 mA，最大结温为150°C，存储温度范围为 - 65°C至150°C。在设计时，必须严格遵守这些额定值，以确保器件的安全和可靠性。

3.2 ESD（静电放电）额定值

人体模型（HBM）的ESD耐压为 + 3500 V，带电设备模型（CDM）为 + 1250 V，机器模式（MM）为 + 300 V。虽然器件具备一定的ESD保护能力，但在实际操作中，仍需采取适当的防静电措施，避免静电对器件造成损坏。

3.3 推荐工作条件

工作温度范围为 - 40°C至85°C，电源电压VA为2.7 V至5.25 V，数字输入引脚电压为 - 0.3 V至5.25 V，模拟输入引脚电压为0 V至VA，时钟频率为0.025 MHz至20 MHz，采样率最大为1 Msps。在这些条件下工作，器件能发挥出最佳性能。

3.4 热信息

不同封装形式的热阻参数有所不同，如DBV（SOT - 23）封装的结到环境热阻为185°C/W，NGF（WSON）封装为83.7°C/W。了解这些热阻参数有助于进行散热设计，确保器件在正常温度范围内工作。

3.5 电气特性

包括静态和动态转换器特性、模拟输入特性、数字输入和输出特性以及电源特性等。例如，分辨率为12位无丢失码，在不同电源电压和温度条件下，INL、DNL、SNR等参数都有相应的典型值和极限值。这些电气特性是评估器件性能的重要依据。

3.6 时序要求

规定了CS脉冲宽度、CS到SCLK的建立时间、数据访问时间等一系列时序参数。正确理解和满足这些时序要求，对于保证数据的准确传输和转换至关重要。

四、功能模式

4.1 正常模式

当CS引脚拉低时，ADC进入正常模式并开始转换过程。为了获得最快的吞吐量，应始终将ADC保持在正常模式，即CS引脚在转换开始后的第10个SCLK下降沿之后仍保持低电平。在正常模式下，16个SCLK周期可读取一个完整的转换字，转换完成后，SDATA引脚返回高阻态。

4.2 掉电模式

如果在CS引脚拉低后的第10个SCLK下降沿之前将CS引脚拉高，ADC将进入掉电模式。在掉电模式下，所有模拟电路关闭，功耗显著降低。要退出掉电模式，只需将CS引脚再次拉低，但首次转换结果可能无效，第二次转换结果才是有效的。

五、应用信息

5.1 应用原理

ADC121S021基于电荷分配数模转换器核心的逐次逼近型模拟 - 数字转换器。在跟踪模式下，开关SW1将采样电容连接到输入，SW2平衡比较器输入；在保持模式下，SW1将采样电容连接到地，保持采样电压，SW2使比较器失衡，控制逻辑通过调整电荷分配DAC来平衡比较器，最终得到模拟输入电压的数字表示。

5.2 典型应用

以德州仪器LP2950低压差电压调节器为例，为ADC提供电源，并通过靠近ADC的电容网络进行旁路。由于ADC的参考电压为电源电压，因此电源上的任何噪声都会影响器件的噪声性能。为了降低电源噪声，可使用专用的线性稳压器或提供足够的去耦措施。此外，还可使用精密参考源作为电源，以提高性能。

5.3 设计要点

在设计过程中，需要注意以下几点：

• 抗混叠滤波器：为了避免采样过程中的混叠现象，必须在ADC输入处放置抗混叠滤波器，可选择单极点低通滤波器，其极点位置应满足相关公式要求。
• 模拟输入：模拟输入信号不能超过（VA + 300 mV）或（GND - 300 mV），否则ESD二极管会导通，导致器件工作不稳定。同时，应使用低阻抗源驱动ADC，以减少采样电容充电引起的失真。
• 数字输入和输出：数字输入引脚的电压限制为5.25 V，与模拟输入的最大额定值不同，这使得ADC可以与各种逻辑电平的设备接口。
• 电源管理：ADC上电或从掉电模式返回正常模式时，需要进行一次虚拟转换，之后才能正常工作。在正常模式下连续运行时，最大吞吐量为fSCLK / 20。可通过调整SCLK频率和转换次数来平衡吞吐量和功耗。

六、布局和电源建议

6.1 布局指南

• 接地设计：接地应采用低阻抗连接，尽量缩短接地连接，使用多个过孔并联以降低接地阻抗。可采用单一的模拟和数字接地平面，避免接地环路。
• 信号隔离：如果应用中需要隔离，可对ADC和控制器之间的数字信号进行隔离。若使用外部晶体提供时钟，应将晶体和负载电容直接连接到ADC引脚，并使用短而直接的走线。
• 电源旁路：电源引脚应使用低ESR陶瓷电容进行旁路，旁路电容应尽量靠近电源引脚，确保电源电流先通过旁路电容再到达电源引脚，以提高旁路效果。

6.2 电源噪声考虑

输出负载电容的充放电会导致电源电压变化和地弹噪声，影响ADC的噪声性能。因此，应尽量减小输出负载电容，并在ADC输出端使用100 Ω的串联电阻，以限制输出电容的充放电电流，提高噪声性能。

七、总结

ADC121S021凭借其多采样率指定、可变电源管理、高精度性能和广泛的接口兼容性等优点，成为了许多应用场景下的理想选择。在实际设计中，我们需要深入理解其技术规格、功能模式和应用要点，合理进行布局和电源设计，以充分发挥其性能优势，实现高质量的模拟 - 数字转换。大家在使用ADC121S021的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。