ADC104S021/ADC104S021Q：高性能10位A/D转换器的设计与应用

作为电子工程师，在设计中选择合适的A/D转换器至关重要。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的ADC104S021/ADC104S021Q这款4通道、50 ksps至200 ksps、10位的A/D转换器，深入了解它的特性、性能参数以及实际应用中的注意事项。

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一、产品概述

ADC104S021/ADC104S021Q是一款低功耗的CMOS 10位A/D转换器，拥有四个输入通道和高速串行接口。与传统仅在单一采样率下规定性能的转换器不同，它在50 ksps至200 ksps的采样率范围内都有完整的性能规格。其采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，并内置跟踪保持电路，可配置为接受多达四个输入信号。此外，ADC104S021Q符合AEC - Q100 Grade 3标准，适用于汽车应用。

二、关键特性

2.1 多采样率规格

支持50 ksps至200 ksps的采样率范围，为不同应用场景提供了更大的灵活性。无论是对采样速度要求不高的便携式系统，还是需要快速数据采集的仪器仪表，都能满足需求。

2.2 可变电源管理

采用2.7V - 5.25V的单电源供电，正常工作时，+3V或+5V电源下的功耗分别为1.94 mW和6.9 mW。同时，具有掉电功能，+3V电源下功耗可降至0.12 µW，+5V电源下为0.47 µW，有效降低了系统功耗。

2.3 多标准兼容输出

输出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，方便与其他设备进行连接和通信。

三、电气特性

3.1 静态特性

• 分辨率：10位无失码分辨率，确保了较高的转换精度。
• 线性度：积分非线性（INL）典型值为±0.13 LSB，差分非线性（DNL）典型值为±0.13 LSB，保证了转换结果的准确性。
• 偏移误差：偏移误差（VOFF）典型值为+0.1 LSB，通道间偏移误差匹配（OEM）典型值为±0.02 LSB，减少了通道间的差异。

  3.2 动态特性

• 信噪比：信号与噪声加失真比（SINAD）典型值为61.8 dB，信号与噪声比（SNR）典型值为61.8 dB，总谐波失真（THD）典型值为 - 86 dB，提供了良好的动态性能。
• 有效位数：有效位数（ENOB）典型值为9.9位，接近理论上的10位分辨率。

四、引脚描述与连接

4.1 引脚功能

引脚编号	符号	描述
4 - 7	IN1 to IN4	模拟输入，信号范围从0V到VA
10	SCLK	数字时钟输入，控制转换和读出过程
9	DOUT	数字数据输出，在SCLK下降沿输出采样数据
8	DIN	数字数据输入，通过SCLK上升沿加载控制寄存器数据
1	CS	芯片选择，CS下降沿开始转换，CS为低时持续转换
2	VA	正电源引脚，连接到+2.7V至+5.25V电源，并通过电容旁路到GND
3	GND	电源和信号的接地端

4.2 连接注意事项

在连接VA引脚时，应将其连接到稳定的电源，并使用1 µF电容和0.1 µF单片电容在距离电源引脚1 cm内进行旁路，以减少电源噪声对转换器的影响。

五、工作原理与操作

5.1 工作模式

ADC104S021/ADC104S021Q有跟踪模式和保持模式。在CS下降后的前三个SCLK周期处于跟踪模式，此时开关SW1将采样电容连接到模拟输入通道，SW2平衡比较器输入；在第四个至第十六个SCLK周期处于保持模式，SW1将采样电容连接到地，保持采样电压，SW2使比较器失衡，控制逻辑通过电荷再分配DAC调整采样电容上的电荷，直到比较器平衡，此时DAC的数字输入即为模拟输入电压的数字表示。

5.2 串行帧操作

CS下降沿启动一个串行帧，每个帧应包含16个SCLK周期的整数倍。在每个帧中，完成一次转换并将结果从DOUT引脚输出，同时在DIN引脚输入下一次转换的多路复用器地址数据。

六、典型应用与设计建议

6.1 典型应用电路

在典型应用中，可使用德州仪器的LP2950低压差稳压器为ADC104S021/ADC104S021Q供电，并在电源引脚附近使用电容网络进行旁路。由于该转换器的参考电压为电源电压，因此应使用专用线性稳压器或提供足够的去耦措施，以减少电源噪声对性能的影响。

6.2 模拟输入设计

模拟输入通道的等效电路中，ESD保护二极管D1和D2可防止静电损坏，但输入信号不应超过(VA + 300 mV)或(GND - 300 mV)，以免二极管导通导致工作异常。为了获得最佳性能，应使用低阻抗源驱动转换器，同时可添加带通或低通滤波器，减少谐波和噪声，提高动态性能。

6.3 数字输入输出

数字输出DOUT受电源电压VA限制，不能超过VA。数字输入引脚不易发生闩锁，但不建议在VA之前对SCLK、CS和DIN进行断言。

6.4 电源管理

ADC104S021/ADC104S021Q在CS为低时全功率工作，CS为高时完全掉电。在连续转换周期之间，也会自动进入掉电模式。用户可以通过减少单位时间内的转换次数来平衡吞吐量和功耗。

6.5 电源噪声考虑

输出负载电容的充放电会导致电源电压波动，影响转换器的SNR和SINAD性能。因此，应尽量减小输出负载电容，当负载电容大于50 pF时，可在ADC输出端使用100 Ω串联电阻，以限制充放电电流，提高噪声性能。

七、总结

ADC104S021/ADC104S021Q以其多采样率规格、可变电源管理、良好的电气性能和广泛的兼容性，成为了便携式系统、远程数据采集、仪器仪表和汽车等应用领域的理想选择。在设计过程中，我们需要充分考虑其引脚连接、工作原理和各种应用注意事项，以确保系统的稳定性和性能。希望本文能为电子工程师们在使用这款A/D转换器时提供一些有用的参考。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。