AD4630 - 24/AD4632 - 24：高性能24位SAR ADC的深度解析

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们来深入探讨ADI公司的AD4630 - 24和AD4632 - 24这两款24位、双通道SAR ADC，看看它们如何在众多应用场景中发挥卓越性能。

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产品概述

AD4630 - 24和AD4632 - 24是两款具备同时采样功能的Easy Drive™ SAR ADC，AD4630 - 24的每通道最大吞吐量可达2 MSPS，而AD4632 - 24则为500 kSPS。它们在 - 40°C至 + 125°C的宽温度范围内，能够保证最大±0.9 ppm的积分非线性（INL），且24位无失码，实现了无与伦比的精度。

关键特性

高性能表现

• 吞吐量：AD4630 - 24每通道最高2 MSPS，AD4632 - 24每通道最高500 kSPS，能满足不同应用对采样速度的需求。
• 精度指标：INL最大±0.9 ppm，典型信噪比（SNR）达105.7 dB，总谐波失真（THD）典型值为 - 127 dB，噪声谱密度（NSD）典型值为 - 166 dBFS/Hz，这些指标保证了信号转换的高精度。

低功耗设计

不同采样率下功耗表现出色，2 MSPS时每通道15 mW，500 kSPS时每通道5 mW，10 kSPS时每通道1.5 mW，适合对功耗敏感的应用。

Easy Drive特性

• 低输入电流：2 MSPS时直流输入电流仅0.6 μA，减轻了前端驱动电路的负担。
• 宽输入共模范围：从 - (1 / 128) × VREF到 + (129 / 128) × VREF，降低了对信号调理电路的要求。
• 灵活的参考电压：外部参考电压范围为4.096 V至5 V，且内部集成了高精度参考缓冲器和2 μF旁路电容，简化了参考电路设计。

数字处理功能

• 可编程块平均滤波器：支持最大2¹⁶的抽取比，可将动态范围提高到153 dB。
• 扩展采样分辨率：可将分辨率扩展到30位，满足更高精度的应用需求。
• 过范围和同步位：方便系统进行状态监测和同步控制。
• Flexi - SPI数字接口：支持1、2或4个SDO通道，可降低串行时钟频率，支持1.2 V至1.8 V逻辑电平，还提供回声时钟模式，简化数字隔离器的使用。

应用领域

AD4630 - 24/AD4632 - 24凭借其高性能和低功耗的特点，广泛应用于多个领域：

• 自动测试设备：高精度和高采样率能够满足对测试信号的精确采集和分析。
• 数字控制环路：快速的转换速度和低延迟特性，有助于实现精确的控制。
• 医疗仪器：低噪声和高精度保证了医疗信号采集的准确性。
• 地震学：能够捕捉微弱的地震信号，为地震研究提供可靠的数据。
• 半导体制造：满足对生产过程中信号监测的高精度要求。
• 科学仪器：在各种科学实验中，提供精确的信号转换。

工作原理

转换操作

AD4630 - 24/AD4632 - 24的工作分为采集阶段和转换阶段。在采集阶段，内部跟踪 - 保持电路连接到每个输入引脚，独立采样引脚电压。当CNV引脚出现上升沿脉冲时，启动转换，同时BUSY信号置高，表示转换正在进行。转换结束后，BUSY信号置低，转换结果以24位或16位代码表示输入电压差，8位代码表示输入共模电压。

传输函数

在默认配置下，AD4630 - 24/AD4632 - 24将满量程差分电压2 × VREF数字化为2²⁴个等级，LSB大小为0.596 μV（VREF = 5 V时）。差分输出数据采用二进制补码格式。

模拟特性

模拟输入的共模电压范围宽，在采集阶段，每个输入等效于约58 pF的采样电容与37 Ω的采样开关导通电阻串联；转换阶段，输入电容约为2 pF。ADC的共模抑制特性可降低共模信号的影响，转换过程中模拟输入仅产生小的泄漏电流。

数字采样处理特性

• 满量程饱和：当输入超出指定模拟范围时，转换结果会在数字域饱和，需注意避免因数字偏移和增益缩放导致的意外饱和。
• 共模输出：通过配置模式寄存器，可将8位共模电压代码附加到16位或24位的输入电压差代码后。
• 块平均：提供可编程的块平均滤波器，可对2ᴺ个样本进行平均处理，有效提高动态范围。
• 数字偏移调整：每个ADC通道可独立编程添加24位有符号偏移值，但要注意可能导致的数值饱和问题。
• 数字增益：每个通道可独立应用16位无符号数字增益，增益范围为0至1.99997，使用时需避免数值饱和。
• 测试模式：主机控制器可写入32位测试模式，方便SPI的功能测试和调试。

接口与配置

串行接口

支持多通道SPI接口，VIO电源范围为1.2 V至1.8 V，可与不同逻辑电平的数字电路兼容。提供回声时钟模式和主机时钟模式，简化数字隔离器的使用。

寄存器配置

AD4630 - 24/AD4632 - 24具有多个可编程用户寄存器，用于配置设备的各种功能，如接口配置、工作模式、增益和偏移调整等。通过SPI接口进行寄存器的读写操作，需注意进入和退出寄存器配置模式的方法。

设计注意事项

模拟前端设计

• Easy Drive特性：长采集阶段和预充电电路降低了ADC驱动级的设计难度，增加了驱动放大器的选择灵活性。
• 预充电缓冲器：减少电荷反冲，降低驱动放大器的建立要求，可使用较大电阻值，提高放大器稳定性，降低信号链的噪声和功耗。
• 长采集阶段：允许选择低功耗、低带宽的放大器，降低RC输入滤波器的截止频率，提高系统的抗干扰能力。
• 驱动放大器选择：驱动放大器的噪声和THD性能要与ADC匹配，以保证系统的整体性能。

参考电路设计

AD4630 - 24/AD4632 - 24需要4.096 V至5 V的外部参考电压，可选择ADR4550或ADR4540作为参考源。内部参考缓冲器可隔离参考源与ADC电路，多个ADC可共享一个参考源。在某些应用中，可禁用内部缓冲器，使用外部参考源驱动REF引脚。

电源供应

AD4630 - 24/AD4632 - 24对电源供应无特殊顺序要求，但需注意电压范围和最大电压关系。内部集成了旁路电容，可减少外部元件数量和布局复杂度。在不同工作状态下，功耗有所不同，可通过配置寄存器进入低功耗的关机状态。

布局指南

为实现最佳性能，布局时应将模拟信号和数字信号分开，使用实心接地平面，隔离参考引脚的走线，避免信号干扰。

总结

AD4630 - 24和AD4632 - 24以其高性能、低功耗和丰富的功能特性，为电子工程师在设计高精度数据采集系统时提供了一个优秀的选择。在实际应用中，合理利用其特性，注意设计细节，能够充分发挥这两款ADC的优势，满足各种复杂应用的需求。大家在使用过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。