16位低功耗PulSAR ADC：AD7988-1/AD7988-5的技术剖析与应用指南

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是至关重要的组件，它负责将模拟信号转换为数字信号，广泛应用于各种电子设备中。今天我们要深入探讨的是ADI公司的两款16位低功耗PulSAR ADC：AD7988 - 1和AD7988 - 5，它们在性能、功耗和接口等方面都有着出色的表现。

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产品概述

AD7988 - 1/AD7988 - 5是单电源供电的16位逐次逼近型ADC。AD7988 - 1的吞吐量为100 kSPS，AD7988 - 5则达到了500 kSPS。它们具有低功耗特性，在不同的采样率下都能保持较低的功耗，非常适合电池供电的应用场景。同时，这两款ADC拥有一个多功能的串行接口端口，方便与其他数字设备进行连接。

关键特性

高性能表现

• 输入范围与分辨率：伪差分模拟输入范围为0V到 (V{REF})，其中 (V{REF}) 可在2.5V到5.0V之间设置，具备16位分辨率且无失码现象。
• 线性度与动态范围：典型积分非线性（INL）为±0.6 LSB，最大±1.25 LSB；当 (V_{REF}=5V) 时，动态范围可达92 dB。
• AC性能指标：在 (f{IN}=10kHz)、(V{REF}=5V) 的条件下，信噪比（SNR）为91.5 dB，总谐波失真（THD）为 - 114 dB，信号与噪声加失真比（SINAD）为91 dB。

低功耗优势

采用单电源2.5V供电，搭配1.8V/2.5V/3V/5V逻辑接口。AD7988 - 1在100 kSPS时，仅电源（VDD）功耗为400 µW，总功耗700 µW；AD7988 - 5在500 kSPS时，VDD功耗为2 mW，总功耗3.5 mW，在10 kSPS时总功耗仅70 µW。

接口灵活性

支持SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP兼容的串行接口，可实现3线或4线接口模式，还具备菊花链功能，方便多个ADC级联使用。

宽工作温度范围

能够在 - 40°C到 + 125°C的温度范围内正常工作，适应各种恶劣的工业和汽车环境。

技术规格详解

输入参数

• 模拟输入：输入电压范围为0到 (V{REF})，绝对输入电压IN + 为 - 0.1到 (V{REF}+0.1V)，IN - 为 - 0.1到 + 0.1V。在25°C采集阶段，泄漏电流仅为1 nA。输入阻抗在采集阶段可等效为电容 (C{PIN}) 与 (R{IN}) 和 (C{IN}) 串联网络的并联组合，其中 (R{IN}) 典型值为400 Ω，(C_{IN}) 典型值为30 pF。
• 参考电压输入：REF输入具有动态输入阻抗，需由低阻抗源驱动，并在REF和GND引脚间进行有效去耦。使用不同的参考源时，去耦电容的选择也有所不同。

精度参数

• 线性误差：差分线性误差（DNL）和积分线性误差（INL）在不同 (V{REF}) 下有不同的指标，如 (V{REF}=5V) 时，DNL为±0.4 LSB，INL为±0.6 LSB。
• 增益和零点误差：增益误差在整个温度范围内为±2 LSB，增益误差温度漂移为±0.35 ppm/°C；零点误差在整个温度范围内为 - 0.5到 + 0.5 mV，零点温度漂移为0.54 ppm/°C。

吞吐量参数

AD7988 - 1的转换速率为100 kSPS，瞬态响应时间为500 ns；AD7988 - 5的转换速率为500 kSPS，B级瞬态响应时间为1.6 µs，C级为1.2 µs。

工作原理

AD7988 - 1/AD7988 - 5基于电荷再分配DAC的逐次逼近型架构。在采集阶段，电容阵列连接到模拟输入，采集输入信号；当CNV输入变高，转换阶段开始，通过开关切换电容阵列与REF和GND的连接，使比较器达到平衡状态，最终生成ADC输出代码。

应用领域

• 自动化测试设备：高精度和高吞吐量的特性使其能够满足自动化测试中对快速、准确数据采集的需求。
• 数据采集系统：低功耗和宽工作温度范围适合长期、稳定的数据采集应用。
• 医疗仪器：高精度和低噪声性能保证了医疗设备中对生物信号采集的准确性。
• 机器自动化：快速的转换速度和灵活的接口模式可用于实时监测和控制机器人等自动化设备。

电路设计要点

模拟输入

模拟输入使用两个二极管提供ESD保护，需注意输入信号不要超过电源轨0.3V。当驱动电路源阻抗较低时，可直接驱动ADC；源阻抗较大时，会影响交流性能，特别是THD。

驱动放大器选择

驱动放大器的噪声要尽量低，以保证ADC的SNR和转换噪声性能。对于交流应用，驱动放大器的THD性能要与ADC相匹配。在多通道复用应用中，驱动放大器和ADC模拟输入电路需在16位精度下快速完成满量程阶跃响应。推荐的驱动放大器有ADA4805 - 1、ADA4807 - 1等。

电源供应

使用两个电源引脚，VDD为核心电源，VIO为数字输入/输出接口电源。VIO可与任何1.8V到5.0V的逻辑直接接口，为减少电源数量，可将VIO和VDD连接在一起。当VIO≥VDD时，对电源顺序不敏感；当VIO < VDD时，需先施加VIO。

数字接口

提供三种接口模式：3线CS模式、4线CS模式和菊花链模式。不同模式适用于不同的应用场景，如3线CS模式适用于单个ADC连接到SPI主机，菊花链模式适用于多个ADC级联。

布局注意事项

• 分区设计：将模拟和数字部分分开，AD7988 - 1/AD7988 - 5的引脚排列有助于实现这一点。
• 避免干扰：避免在器件下方铺设数字线路，防止噪声耦合到芯片上；快速切换信号不要靠近模拟信号路径，避免数字和模拟信号交叉。
• 接地设计：建议使用至少一个接地平面，可采用公共接地或数字和模拟部分分开接地，在ADC下方连接两个接地平面。
• 去耦处理：对REF、VDD和VIO进行去耦处理，使用陶瓷电容器并通过短而宽的走线连接，以减少电源线上的干扰。

总结

AD7988 - 1/AD7988 - 5以其高性能、低功耗和灵活的接口等优点，在众多应用领域展现出强大的竞争力。电子工程师在设计过程中，只要根据具体的应用需求，合理选择接口模式、驱动放大器和进行PCB布局，就能充分发挥这两款ADC的优势，实现高效、稳定的数据采集系统。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。