深入解析DDC114：高性能四通道20位电流输入ADC

在电子设计领域，高精度、低噪声的模拟 - 数字转换器（ADC）一直是工程师们追求的目标。今天，我们就来深入探讨一款由德州仪器（TI）推出的高性能四通道20位电流输入ADC——DDC114。

文件下载：ddc114.pdf

一、产品概述

DDC114是一款高度集成的单芯片解决方案，专为直接测量四个低电平电流而设计。它集电流 - 电压转换和A/D转换功能于一体，能够直接连接四个低电平电流输出设备，如光电二极管，并将其输出数字化。这种设计大大简化了电路设计，提高了系统的整体性能。

1.1 主要特性

• 高精度：具有真正的积分功能，积分线性度高达±0.01%的读数±0.5ppm的满量程范围（FSR），能够提供非常精确的测量结果。
• 低噪声：噪声仅为5.2ppm的FSR，确保了在低电平信号测量时的高灵敏度和准确性。
• 低功耗：每个通道的功耗仅为13.5mW，非常适合对功耗要求较高的应用场景。
• 可调数据速率：数据速率最高可达3.125kSPS，用户可以根据实际需求进行调整。
• 可编程满量程：满量程范围可在12pC至350pC之间进行调整，适应不同的应用需求。
• 可级联串行接口：支持多个设备的级联，方便构建大规模的测量系统。

1.2 应用领域

DDC114的高性能特性使其在多个领域得到了广泛应用，包括CT扫描仪数据采集系统（DAS）、光电二极管传感器、红外高温计以及液相/气相色谱仪等。

二、电气特性详解

2.1 模拟输入范围

DDC114提供了8个不同的模拟输入范围，从12pC到350pC不等，用户可以根据实际测量需求通过范围选择引脚（RANGE0 - RANGE2）进行选择。这种灵活的输入范围设置使得DDC114能够适应不同强度的电流信号测量。

2.2 动态特性

• 数据速率：在低功耗模式下，最大数据速率为2.5kSPS；在高速模式下，数据速率最高可达3.125kSPS。
• 积分时间：积分时间（TINT）可在50µs至1s之间进行调整，用户可以根据需要选择合适的积分时间来平衡测量精度和数据速率。
• 系统时钟输入：系统时钟（CLK）的频率可以根据不同的工作模式进行调整，以满足不同的应用需求。

2.3 精度指标

• 噪声：在低电平输入（小于1% FSR）时，噪声为5.2ppm的FSR（均方根值），确保了在微弱信号测量时的高精度。
• 积分线性误差：典型值为±0.01%的读数 + 0.5ppm的FSR，最大值为±0.025%的读数 + 1.0ppm的FSR，保证了测量结果的线性度。
• 分辨率：通过FORMAT引脚可以选择输出数据的位数，当FORMAT = 1时，分辨率为20位；当FORMAT = 0时，分辨率为16位。

三、工作原理剖析

3.1 基本结构

DDC114内部包含四个相同的输入通道，每个通道都有两个积分器，实现了电流 - 电压的连续积分。积分器的输出通过两个四输入多路复用器切换到两个Delta - Sigma（∆Σ）转换器进行A/D转换。

3.2 积分循环

前端的模拟积分器由运算放大器、可选的反馈电容网络（CF）和多个开关组成。通过控制这些开关的状态，可以实现积分、复位、等待和转换等不同的状态。在一个完整的A/D转换周期中，积分电容会先被充电到参考电压（VREF），然后开始积分输入信号，最后将积分结果进行数字化转换。

3.3 电压参考

外部电压参考（VREF）在DDC114的工作中起着至关重要的作用。它不仅用于在积分周期开始前复位积分电容，还在A/D转换过程中作为参考电压。为了确保VREF的稳定性和低噪声，建议使用一个运算放大器对外部参考源进行缓冲。

四、数字接口与操作模式

4.1 数字接口

DDC114通过同步串行接口提供数字结果，包括差分数据时钟（DCLK和DCLK）、有效数据引脚（DVALID）、差分串行数据输出引脚（DOUT和DOUT）以及差分串行数据输入引脚（DIN和DIN）。这种接口设计方便了多个设备的级联和数据传输。

4.2 操作模式

• 低功耗模式：当HISPD/LOPWR = 0时，选择低功耗模式，每个通道的典型功耗为13.5mW，最大数据速率为2.5kSPS。
• 高速模式：当HISPD/LOPWR = 1时，选择高速模式，每个通道的典型功耗为18.0mW，最大数据速率为3.125kSPS。

4.3 数据检索

在连续和非连续模式下，数据都可以在DVALID信号变低后进行检索。数据通过数据时钟（DCLK）的下降沿进行移位输出。为了避免引入噪声，建议在CONV信号变化期间停止数据检索操作。

五、布局与电源注意事项

5.1 电源供应

AVDD和DVDD电源应尽可能保持安静，以减少噪声对测量结果的影响。可以采用两种供电方式：一是使用两个独立的+5V电源分别为AVDD和DVDD供电，并使用10µF固体钽电容和0.1µF陶瓷电容进行旁路；二是通过一个小于10Ω的隔离电阻从AVDD电源派生DVDD电源。

5.2 接地设计

建议将模拟地（AGND）和数字地（DGND）连接到印刷电路板（PCB）上的同一个接地平面，以减少接地噪声。

5.3 屏蔽设计

由于DDC114的输入阻抗较高，对外部噪声非常敏感，因此在PCB布局时应采取屏蔽措施。可以在输入引脚周围设置一个PCB接地平面，以减少耦合噪声和泄漏电流的影响。

六、总结与思考

DDC114以其高精度、低噪声、低功耗和灵活的配置等优点，成为了许多高精度电流测量应用的理想选择。在实际设计中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理选择工作模式、积分时间和输入范围等参数，同时注意电源供应、接地设计和屏蔽措施等方面的问题，以充分发挥DDC114的性能优势。

大家在使用DDC114的过程中，有没有遇到过什么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。