AD4684/AD4685：高性能16位SAR ADC的深度解析

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接现实世界模拟信号与数字系统的关键桥梁。今天，我们将深入探讨ADI公司的AD4684/AD4685这两款16位、双路、同时采样的高速逐次逼近寄存器（SAR）ADC，它们在众多应用场景中展现出卓越的性能。

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产品概述

AD4684/AD4685是两款功能强大的ADC，工作电源范围为3.0 V至3.6 V，AD4684的吞吐量高达1 MSPS，AD4685为500 kSPS。它们采用单端模拟输入，具有4通道和2:1多路复用器，并且支持通道序列器模式。芯片集成了片上过采样功能，能够有效提高动态范围和降低噪声。此外，还具备分辨率提升功能、2.5 V内部参考电压、警报功能等，工作温度范围为 -40°C至 +125°C，采用16引脚、3 mm × 3 mm的LFCSP封装，节省空间。

关键特性

高性能指标

• 分辨率与精度：16位分辨率，无失码，差分非线性（DNL）典型值为±0.5 LSB，积分非线性（INL）典型值为±1.5 LSB，增益误差典型值为±0.006 %FS，能够提供高精度的转换结果。
• 动态性能：信噪比（SNR）表现出色，在 (V_{REF}=3.3 V) 外部参考时典型值为87.5 dB，采用过采样模式（ (OSRMODE =1) ， (OSR =8) ， (RES = 1) ， (V{REF}=2.5 V) 内部）时可达到93 dB。无杂散动态范围（SFDR）可达 -100 dB，总谐波失真（THD）在 (V_{REF}=3.3 V) 外部参考时为 -99 dB。

  功能特点

• 过采样功能：片上集成过采样模块，支持滚动平均过采样模式，可通过配置 (OS_MODE) 和 (OSR) 位来启用和设置过采样比率，有效提高SNR和动态范围。
• 分辨率提升：在过采样模式下，可通过设置 (RES) 位将转换结果分辨率从16位提升至18位，以适应更高精度的应用需求。
• 警报功能：可设置警报高低阈值，当转换结果超出阈值时， (SDOB/ALERT) 引脚输出警报信号，方便系统进行异常监测。
• 电源管理：具备正常模式和掉电模式，可通过 (PMODE) 位进行配置，实现灵活的功耗管理。

工作原理

电路结构

AD4684/AD4685包含两个SAR ADC、一个多路复用器、一个序列器和一个带有两个独立数据输出引脚的串行接口。模拟输入范围为0 V至 (V_{REF}) ，支持内部2.5 V参考或外部2.5 V至3.3 V参考。

转换过程

ADC基于电容式DAC，在采集阶段，采样电容阵列采集输入信号；转换阶段，控制逻辑和电荷再分配DAC通过增减电容式DAC的电荷量使比较器重新平衡，完成转换并生成输出代码。

应用电路设计

信号链连接

典型应用电路中，需对 (V{CC}) 、 (V{LOGIC}) 、 (REGCAP) 和 (REFIO) 引脚进行适当的去耦处理。模拟输入应放置差分RC滤波器（推荐 (R=33 Omega) ， (C=330 pF) ）以确保性能。同时，要注意数字接口的噪声问题，可通过缩短数字线路距离或串联100 Ω电阻来降低噪声耦合。

电源供应

可使用单个5 V电压源为整个信号链供电，通过LDO调节器为 (V{CC}) 和 (V{LOGIC}) 提供稳定电源。电源上电时， (V{CC}) 和 (V{LOGIC}) 可任意顺序施加，外部参考需在其后施加，模拟和数字信号应在外部参考施加后再输入。上电后建议进行软件复位。

模式操作

通道选择与序列器

通过设置 (CONFIGURATION1) 寄存器中的 (CH) 位可选择转换的通道对。序列器功能可通过 (SEQ) 位启用，自动循环转换 (AINX0) 和 (AINX1) 通道。通道切换时，ADC需要额外的建立时间，AD4684和AD4685在通道切换时的最大吞吐量分别为500 kSPS和250 kSPS。

过采样模式

支持滚动平均过采样，通过设置 (OS_MODE) 和 (OSR) 位启用和配置过采样比率。在序列器模式下也可进行过采样，需设置相应的寄存器位。

分辨率提升

在有效过采样模式下，将 (RES) 位设置为1可将转换结果分辨率提升至18位，此时需要18个SCLK周期来传输数据。

警报功能

当转换结果超出 (ALERT_HIGH_THRESHOLD) 寄存器的高阈值或低于 (ALERT_LOW_THRESHOLD) 寄存器的低阈值时，触发警报。通过配置 (CONFIGURATION1) 和 (CONFIGURATION2) 寄存器的相关位，可使 (SDOB/ALERT) 引脚输出警报信号。

电源模式

正常模式下，ADC可实现最快的吞吐量；掉电模式可降低功耗，适用于对功耗有要求的应用。通过设置 (PMODE) 位可在两种模式之间切换。

接口与寄存器配置

接口

通过SPI接口与AD4684/AD4685进行通信，包括 (CS) 、 (SCLK) 、 (SDOA) 、 (SDOB/ALERT) 和 (SDI) 引脚。 (CS) 信号启动转换并框定数据传输， (SCLK) 同步数据输入输出。支持2线和1线模式读取转换结果，可通过 (SDO) 位进行配置。

寄存器

AD4684/AD4685具有多个用户可编程寄存器，如 (CONFIGURATION1) 、 (CONFIGURATION2) 、 (ALERT) 、 (ALERT_LOW_THRESHOLD) 和 (ALERT_HIGH_THRESHOLD) 等，用于配置设备的各种功能和参数。通过设置寄存器的相应位，可实现通道选择、过采样、分辨率提升、警报阈值设置等功能。

总结

AD4684/AD4685以其高性能、多功能和紧凑的封装，为电子工程师在电机控制、数据采集、功率质量监测等领域提供了优秀的ADC解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体应用需求，合理配置寄存器和接口，优化电路设计，以充分发挥其性能优势。你在使用类似ADC时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。