AD7654：一款高性能16位双路同时采样ADC的深度解析

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们就来深入探讨一款备受关注的ADC——AD7654，它由Analog Devices公司推出，是一款低成本、同时采样、双通道、16位的电荷再分配逐次逼近型（SAR）ADC。

文件下载：AD7654AST.pdf

1. 产品概述

AD7654采用单5V电源供电，集成了两个低噪声、宽带宽的采样保持放大器，可实现同时采样。它具备高速16位采样ADC、内部转换时钟、误差校正电路，以及串行和并行系统接口端口。每个采样保持器前面都有一个多路复用器，能提供4通道输入ADC，通过A0多路复用器控制输入，可选择同时采样输入对INA1/INB1（A0 = 低）或INA2/INB2（A0 = 高）。

2. 关键特性

2.1 同时采样

AD7654拥有两个采样保持电路，可同时对4个通道进行采样，这在需要同步采集多个模拟信号的应用中非常关键，例如三相电源控制、4通道数据采集等。

2.2 高速吞吐量

在正常模式下，其吞吐量可达500 kSPS；在脉冲模式下，吞吐量为444 kSPS。这种高速性能使得它能够快速准确地采集模拟信号，满足实时性要求较高的应用场景。

2.3 高精度

AD7654具有出色的线性度，最大积分非线性（INL）为±3.5 LSB，且无丢失码，能够提供准确的数字输出。同时，它在100 kHz时的信噪比（SNR）典型值为89 dB，总谐波失真（THD）为 -100 dB，保证了信号采集的质量。

2.4 单电源供电

单5V电源供电的设计简化了电路设计，降低了成本。而且在脉冲模式下，其功耗会随着吞吐量的降低而减小，非常适合低功耗应用。

2.5 灵活的接口

它提供了并行和串行两种接口，可与3V或5V逻辑兼容，支持SPI®/QSPI™/MICROWIRE™/DSP等通信协议，方便与各种微处理器或数字信号处理器进行接口。

3. 性能指标

3.1 分辨率与精度

AD7654的分辨率为16位，无丢失码。在直流精度方面，积分线性误差最大为±3.5 LSB，满量程误差漂移为±2 ppm/°C，单极性零误差漂移为±0.8 ppm/°C。在交流精度方面，SNR在20 kHz时为88 - 90 dB，100 kHz时为89 dB；THD在100 kHz时为 -100 dB。

3.2 采样动态特性

孔径延迟为2 ns，孔径延迟匹配为30 ps，孔径抖动为5 ps rms，全量程阶跃响应时间为250 ns，这些特性保证了采样的准确性和稳定性。

3.3 电源与功耗

模拟电源AVDD和数字电源DVDD均为5V，输出接口电源OVDD范围为2.7V - 5.25V。在正常模式下，500 kSPS吞吐量时的功耗典型值为120 mW；在脉冲模式下，10 kSPS吞吐量时的功耗仅为2.6 mW。

4. 工作模式

4.1 正常模式

这是最快的模式，吞吐量可达500 kSPS。除了在掉电状态（PD = HIGH）外，功耗几乎与采样率无关。

4.2 脉冲模式

这是低功耗模式，最大吞吐量为444 kSPS。在该模式下，功耗与采样率近似成正比，非常适合电池供电的应用。

5. 应用电路设计

5.1 模拟输入

AD7654的模拟输入结构允许对INx和INxN之间的差分信号进行采样，能够有效抑制共模信号。在采集交流信号时，它表现为一个单极点RC滤波器，可减少混叠效应和输入噪声。为了进一步提高噪声滤波效果，可以在放大器输出和ADC输入之间添加外部单极点RC滤波器，但要注意保持低源阻抗，以免影响总谐波失真。

5.2 驱动放大器选择

驱动放大器需要满足一定的要求，如能够在16位水平上对电容阵列的满量程阶跃进行稳定响应、产生的噪声尽可能低、具备合适的THD性能等。推荐的驱动放大器包括AD8021、AD8022、AD829、AD8610等。

5.3 电压参考输入

AD7654需要一个2.5V的外部参考电压，参考输入应施加到REF、REFA和REFB引脚。为了保证稳定性，参考输入应使用低阻抗源驱动，并进行有效的去耦。

5.4 电源设计

AD7654使用三组电源引脚：模拟5V电源AVDD、数字5V核心电源DVDD和数字输入/输出接口电源OVDD。为了减少电源数量，数字核心（DVDD）可以通过简单的RC滤波器从模拟电源获取。该芯片对电源变化不敏感，且不受电源顺序的影响。

5.5 转换控制

转换由CNVST信号控制，一旦启动，在转换完成前不能重新启动或中止。在脉冲模式下，如果CNVST在BUSY为低电平时保持低电平，AD7654会自动控制采集阶段并启动新的转换。

5.6 数字接口

AD7654具有灵活的数字接口，可通过串行或并行接口与主机系统连接。串行接口复用在并行数据总线上，通过CS和RD信号控制接口。在并行模式下，A/B信号可选择读取通道A或通道B的输出；在串行模式下，A/B信号控制哪个通道先输出。

6. 布局注意事项

在设计PCB时，要将模拟和数字部分分开，并使用独立的接地平面。数字和模拟接地平面应在一处连接，最好在AD7654下方或尽可能靠近它。避免在器件下方铺设数字线路，以减少噪声耦合。快速开关信号如CNVST或时钟应使用数字接地进行屏蔽，避免与模拟信号路径靠近。电源线路应使用尽可能大的走线，以提供低阻抗路径，并进行良好的去耦。

7. 总结

AD7654是一款功能强大、性能出色的ADC，具有同时采样、高速吞吐量、高精度、低功耗和灵活接口等优点，适用于交流电机控制、三相电源控制、4通道数据采集、不间断电源和通信等多种应用场景。在设计过程中，合理选择驱动放大器、电压参考源，优化电源设计和布局，能够充分发挥AD7654的性能优势，为电子系统的设计提供可靠的保障。你在使用AD7654或其他ADC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。