ADC78H90：高性能8通道12位A/D转换器深度解析

在电子工程师的日常设计工作中，模拟 - 数字转换器（ADC）是不可或缺的关键组件。今天，我们就来深入探讨一款性能出色的ADC——德州仪器（TI）的ADC78H90。它在汽车导航、便携式系统、医疗仪器和移动通信等众多领域都有广泛的应用。

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一、产品概述

ADC78H90是一款低功耗、8通道的CMOS 12位A/D转换器，转换吞吐量高达500 kSPS。它采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，并内置跟踪保持电路，能够在一次转换中对输入信号进行采样并转换为全分辨率数字信号，无需上电延迟或虚假转换。其输出的串行数据为直二进制格式，与SPI™、QSPI™、MICROWIRE™以及许多常见的DSP串行接口兼容。该芯片采用16引脚TSSOP封装，可在 -40°C至 +85°C的工业温度范围内稳定工作。

二、产品特性

2.1 多通道与电源管理

• 八输入通道：提供8个模拟输入通道（AIN1 - AIN8），可灵活配置以满足不同的应用需求。
• 可变电源管理：支持独立的模拟和数字电源，模拟电源（$AV{DD}$）范围为 +2.7V至 +5.25V，数字电源（$DV{DD}$）范围为 +2.7V至$AV_{DD}$。正常工作时，+3V或 +5V电源的功耗分别为1.5 mW和8.3 mW；进入掉电模式后，+3V和 +5V电源的功耗可分别降至0.3 µW和0.5 µW。

2.2 接口兼容性

输出串行数据与SPI™、QSPI™、MICROWIRE™和常见的DSP串行接口兼容，方便与各种微处理器和数字信号处理器进行连接。

2.3 高精度与低误差

• 高分辨率：具有12位分辨率，无丢失码，确保了高精度的转换结果。
• 低非线性误差：积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）最大均为 ±1 LSB，保证了转换的线性度。
• 低偏移和增益误差：偏移误差（$V_{OFF}$）和增益误差（GE）最大分别为 ±2 LSB和 ±3 LSB，且通道间的偏移误差匹配（OEM）和增益误差匹配（GEM）最大也分别为 ±2 LSB和 ±3 LSB。

2.4 良好的动态性能

• 高信噪比：信号 - 噪声加失真比（SINAD）在特定条件下可达70 dB（最小值），信号 - 噪声比（SNR）可达70.8 dB（最小值）。
• 低谐波失真：总谐波失真（THD）最大为 -74 dB，无杂散动态范围（SFDR）最小为75.6 dB。

三、引脚说明

引脚编号	符号	描述
4 - 11	AIN1 - AIN8	模拟输入，信号范围为0V至$AV_{DD}$
16	SCLK	数字时钟输入，频率范围为50 kHz至8 MHz，8 MHz时性能有保证，直接控制转换和读出过程
15	DOUT	数字数据输出，在SCLK引脚的下降沿将输出样本时钟输出
14	DIN	数字数据输入，在SCLK引脚的上升沿将数据加载到ADC78H90的控制寄存器
1	CS	芯片选择，CS下降沿启动转换过程，CS保持低电平时转换持续进行
2	$AV_{DD}$	正模拟电源引脚，应连接到 +2.7V至 +5.25V的安静电源，并通过1 µF钽电容和0.1 µF陶瓷单片电容旁路到地
13	$DV_{DD}$	正数字电源引脚，应连接到 +2.7V至$AV_{DD}$的电源，并通过0.1 µF陶瓷单片电容旁路到地
3	AGND	模拟电源和信号的接地返回
12	DGND	数字电源和信号的接地返回

四、工作原理

ADC78H90采用逐次逼近型架构，基于电荷分配数模转换器（DAC）设计。其工作过程分为跟踪和保持两个模式：

4.1 跟踪模式

在CS引脚拉低后的前三个SCLK周期内，ADC处于跟踪模式。此时，开关SW1通过多路复用器将采样电容连接到八个模拟输入通道之一，开关SW2平衡比较器输入，使采样电容能够跟踪输入电压。

4.2 保持模式

在接下来的十三个SCLK周期内，ADC进入保持模式。开关SW1将采样电容连接到地，保持采样电压，开关SW2使比较器失衡。控制逻辑随后指示电荷分配DAC向采样电容添加或减去固定量的电荷，直到比较器平衡。此时，提供给DAC的数字字即为模拟输入电压的数字表示。

五、应用电路设计要点

5.1 电源设计

• 独立供电：采用独立的模拟和数字电源，可有效减少数字噪声对模拟信号的干扰。例如，可使用TI的LP2950低压差稳压器为模拟和数字电源供电。
• 电源旁路：模拟电源（$AV{DD}$）应使用靠近芯片的电容网络进行旁路，如1 µF钽电容和0.1 µF陶瓷单片电容；数字电源（$DV{DD}$）也应通过0.1 µF陶瓷单片电容旁路到地。

5.2 模拟输入设计

• 低阻抗源驱动：为了消除采样电容充电引起的失真，应使用低阻抗源驱动ADC78H90的模拟输入。特别是在采样交流信号时，这一点尤为重要。
• 滤波处理：在采样动态信号时，可使用带通或低通滤波器来减少谐波和噪声，提高动态性能。

5.3 数字接口设计

• 时钟和片选信号：SCLK和CS信号的时序对ADC的正常工作至关重要。每个串行帧应包含整数倍的16个SCLK上升沿，CS下降沿启动转换，上升沿结束转换。
• 数据传输：转换结果通过DOUT引脚以串行数据流的形式输出，MSB优先；控制寄存器的数据通过DIN引脚在每个转换周期的前8个SCLK上升沿写入。

六、性能优化与注意事项

6.1 电源管理

• 电源顺序：为避免ESD二极管导通，应先施加模拟电源（$AV{DD}$），再施加数字电源（$DV{DD}$），且$DV{DD}$不能超过$AV{DD}$ 300 mV。
• 功耗控制：通过控制CS引脚的高低电平，可实现ADC的正常工作和掉电模式切换。在不需要转换时，将CS引脚拉高，可显著降低功耗。

6.2 输入保护

模拟输入信号的电压范围应在（$AV_{DD}$ + 300 mV）和（GND - 300 mV）之间，以防止ESD二极管导通导致的异常工作。

6.3 噪声抑制

• 电源噪声：数字电源的噪声可能会影响ADC的性能，可通过分离模拟和数字电源、减小输出负载电容、在ADC输出端使用串联电阻等方法来抑制噪声。
• 信号噪声：在模拟输入前端添加滤波电路，可有效减少输入信号的噪声和谐波，提高转换的精度和稳定性。

七、总结

ADC78H90以其高性能、低功耗、多通道和良好的兼容性，成为了众多应用领域的理想选择。在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求，合理设计电源、输入输出接口和滤波电路，以充分发挥其性能优势。同时，要注意电源管理、输入保护和噪声抑制等方面的问题，确保系统的稳定性和可靠性。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地了解和使用ADC78H90这款优秀的A/D转换器。

各位工程师朋友，在使用ADC78H90的过程中，你们遇到过哪些问题或有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流！