深入解析ADS7891：14位3-MSPS低功耗SAR模数转换器

在电子工程师的日常工作中，模数转换器（ADC）是不可或缺的关键组件。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的ADS7891，这是一款14位、3-MSPS的低功耗逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器，它在众多领域都有着广泛的应用。

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一、产品概述

ADS7891具有一系列令人瞩目的特性，使其在高速数据采集和处理领域脱颖而出。它拥有3 MHz的采样率和14位的分辨率，能够实现零延迟转换。其输入为单极性、伪差分输入，范围从0V到2.5V，并且具备78 dB的信噪比（SNR）和88.5 dB的总谐波失真（THD），在3 MSPS的采样率下，功耗仅为85 mW。此外，它还支持Nap模式（功耗10 mW）和掉电模式（功耗10 μW），内部集成了参考电压和参考缓冲器，提供8/14位总线传输，采用48引脚TQFP封装。

二、关键特性与优势

（一）高性能指标

1. 高分辨率与低失真：14位的分辨率确保了高精度的转换，而低THD则保证了信号的纯净度，适用于对信号质量要求较高的应用，如频谱分析仪和高速数据采集系统。
2. 高速采样与零延迟：3 MHz的采样率能够满足高速数据采集的需求，零延迟特性则使得数据能够实时处理，提高了系统的响应速度。
3. 低功耗设计：在不同的工作模式下，ADS7891都能实现较低的功耗，特别是Nap模式和掉电模式，有助于延长电池供电设备的使用寿命。

（二）灵活的接口与配置

1. 并行接口：提供14位并行接口，并且支持字节模式，方便与8位处理器进行接口，增强了系统的兼容性。
2. 内部参考：内置2.5V参考电压，同时也支持外部参考，为不同的应用场景提供了更多的选择。

三、技术规格详解

（一）模拟输入特性

1. 输入范围与电容：+IN输入范围为 -0.2V 到 (Vref + 0.2V)，-IN输入范围为 -0.2V 到 0.2V，输入电容为27 pF，输入泄漏电流为500 pA。
2. 抗干扰能力：具有一定的共模抑制比和电源抑制比，能够有效抵抗外界干扰，提高转换的准确性。

（二）系统性能指标

1. 分辨率与线性度：分辨率为14位，无丢失码，积分线性度和差分线性度分别为±1.5 LSB和 +1.5/-1 LSB，保证了转换的线性度。
2. 误差指标：偏移误差和增益误差在外部参考下分别为 -1.5 到 1.5 mV 和 -1 到 1 mV，确保了转换的准确性。

（三）采样动态特性

1. 转换时间与吞吐量：转换时间在 +VDB = 5V 时最大为273 ns，最大吞吐量率为3 MHz，能够满足高速数据采集的需求。
2. 其他动态指标：包括孔径延迟、孔径抖动、阶跃响应和过电压恢复等指标，都表现出色，保证了采样的稳定性和可靠性。

（四）动态特性

1. 总谐波失真与信噪比：在不同的输入信号频率下，总谐波失真和信噪比都能保持较好的性能，如在100 kHz输入信号下，THD为 -93 dB，SNR为78.5 dB。

（五）内部参考输出特性

1. 启动时间与电压范围：启动时间最大为120 ms，VREF范围为2.48V到2.52V，源电流为10 μA，具有较好的稳定性。
2. 调节与漂移：线路调节为1 mV，漂移为25 PPM/°C，保证了参考电压的稳定性。

（六）数字输入/输出特性

1. 逻辑电平与数据格式：支持CMOS逻辑家族，逻辑电平符合标准要求，数据格式为直二进制，方便与数字电路进行接口。

（七）电源要求

1. 电源电压与电流：+VBD电源电压范围为2.7V到5.25V，+VA电源电压范围为4.75V到5.25V，在3 MHz采样率下，+VA的供电电流为17到18 mA。
2. 不同模式下的功耗：在Nap模式和掉电模式下，功耗显著降低，分别为2到3 mA和2到2.5 μA。

四、工作原理与操作

（一）原理架构

ADS7891基于电荷再分配的架构，内部集成了采样/保持功能，转换时钟由内部生成，转换时间在 +VBD = 5V 时最大为273 ns。

（二）参考电压

ADS7891内置2.5V参考电压，但也支持外部参考。在使用内部参考时，需要将REFOUT引脚连接到REFIN引脚，并使用0.1 μF的去耦电容和1 μF的存储电容。

（三）模拟输入

模拟输入通过 +IN 和 -IN 引脚提供，在转换时，这两个引脚之间的电压差会被采样到内部电容阵列上。在保持模式下，输入阻抗大于1 GΩ。

（四）数字接口与数据读取

1. 数据读取条件：当CS和RD引脚都为低电平时，数据会出现在DB13 - DB0引脚上。
2. 字节模式读取：通过BYTE引脚可以实现8位总线读取，方便与8位处理器进行接口。

（五）操作模式

1. 采样与转换启动：有三种方式可以启动采样，两种方式可以启动转换，具体操作需要根据实际需求进行选择。
2. 转换中止：在BUSY引脚为高电平且CONVST引脚为高电平时，CS引脚的下降沿可以中止转换。
3. Nap模式与掉电模式：Nap模式可以在较低的采样率下实现显著的功耗降低，掉电模式则可以进一步降低功耗。

五、应用注意事项

（一）布局设计

由于ADS7891的基本SAR架构对电源、参考、接地连接和数字输入的毛刺或突然变化比较敏感，因此在布局设计时需要特别注意。

1. 参考电压：如果使用外部参考电压，需要确保其能够驱动旁路电容而不产生振荡。
2. 接地设计：AGND和BDGND引脚应连接到干净的接地点，避免与微控制器或数字信号处理器的接地过于接近。
3. 电源供应：+VA应连接到独立的5V电源平面，并且需要进行良好的去耦处理。

（二）复位与初始化

建议在电源上电后对设备进行复位，复位信号为异步低电平有效。复位后，前四次转换的数据无效。

六、总结

ADS7891是一款性能卓越的14位3-MSPS低功耗SAR模数转换器，具有高分辨率、低失真、高速采样、低功耗等优点，适用于光学网络、频谱分析仪、高速数据采集系统等众多领域。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的需求和系统要求，合理选择参考电压、优化布局设计，并注意复位和初始化操作，以充分发挥ADS7891的性能优势。你在使用ADS7891的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。