AD7357：高性能双路14位SAR ADC的全面解析

在电子设计领域，模数转换器（ADC）一直是至关重要的组件，它在信号处理、数据采集等众多应用中发挥着关键作用。今天，我们将深入探讨一款高性能的双路14位逐次逼近型ADC——AD7357，了解它的特性、应用以及工作原理。

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1. AD7357概述

AD7357是一款由Analog Devices推出的双路、14位、高速、低功耗逐次逼近型ADC，它采用单2.5V电源供电，每通道吞吐量高达4.2 MSPS。该器件集成了两个ADC，每个ADC前都配备了低噪声、宽带宽的采样保持电路，能够处理超过110 MHz的输入频率。

1.1 主要特性

• 双路14位ADC：可同时对两个通道进行采样和转换，支持在不同数据线同时输出转换结果，也可在单数据线依次输出。
• 高吞吐量与低功耗：每通道吞吐量达4.2 MSPS，功耗仅36 mW。
• 同时采样功能：通过CS输入精确控制采样时刻，实现两个标准逐次逼近型ADC的同时采样。
• 片上参考电压：提供2.048 V ± 0.25%、温度系数为6 ppm/°C的参考电压，也可使用外部参考电压。
• 高速串行接口：兼容SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP接口。
• 宽温度范围：Y级产品工作温度范围为 -40°C 至 +125°C，B级产品为 -40°C 至 +85°C。
• 多种封装形式：提供16引脚TSSOP和18引脚LFCSP封装，适用于不同的应用场景。
• 汽车应用认证：满足汽车应用的要求。

1.2 应用领域

AD7357的高性能使其在多个领域得到广泛应用，包括汽车雷达、数据采集系统、运动控制、I和Q解调以及RFID阅读器等。

2. 技术规格

2.1 动态性能

在输入频率为500 kHz正弦波时，AD7357的信噪比（SNR）可达74.5 - 76.5 dB，信噪失真比（SINAD）为74 - 76 dB，总谐波失真（THD）为 -83 - -80 dB，无杂散动态范围（SFDR）为 -85 - -82 dB。此外，它还具有良好的ADC间隔离度和共模抑制比（CMRR）。

2.2 采样保持特性

采样保持电路的孔径延迟为3.5 ns，孔径延迟匹配误差为40 ps，孔径抖动为16 ps。全功率带宽在3 dB时为110 MHz，0.1 dB时为77 MHz。

2.3 直流精度

分辨率为14位，积分非线性（INL）为 ±2 - ±3 LSB，差分非线性（DNL）为 ±0.5 - ±0.99 LSB，保证无漏码至14位。

2.4 模拟输入特性

模拟输入为全差分输入，范围为 (V{CM} pm V{REF}/2)，共模电压范围为0.5 - 1.6 V，直流泄漏电流为 ±0.5 - ±5 μA，输入电容在跟踪模式下为32 pF，保持模式下为8 pF。

2.5 参考输入/输出特性

参考输入电压范围为2.048 + 0.1 (V{DD}) 至2.048 + (V{DD})，参考输出电压在不同条件下有相应的规格，温度系数为6 - 20 ppm/°C，长期稳定性为100 ppm/1000小时，热滞为50 - 60 ppm，噪声为50 - 60 μV rms，输出阻抗为1 Ω。

2.6 逻辑输入/输出特性

逻辑输入高电平 (V{INH}) 为0.6 × (V{DRIVE})，低电平 (V{INL}) 为0.3 × (V{DRIVE})，输入电容为3 pF，输入电流为 ±1 μA。逻辑输出高电平 (V{OH}) 为 (V{DRIVE} - 0.2) V，低电平 (V_{OL}) 为0.2 V，浮空状态泄漏电流为 ±1 μA，浮空状态输出电容为5.5 pF，输出编码为直二进制。

2.7 转换速率和功耗

转换时间为 (t{2} + 15.5 × t{SCLK}) ns，采样保持采集时间为33 ns，吞吐量为4.2 MSPS。正常模式下，工作电流为14 - 20 mA，静态电流为6 - 7.6 mA；部分功率下降模式下，电流为3.5 - 4.5 mA；全功率下降模式下，电流为5 - 40 μA。功耗方面，正常模式工作时为36 - 59 mW，静态时为16 - 21 mW；部分功率下降模式为9.5 - 11.5 mW；全功率下降模式为16 - 110 μW。

3. 引脚配置与功能描述

3.1 引脚配置

AD7357提供TSSOP和LFCSP两种封装形式，不同封装的引脚配置有所不同，但功能基本一致。

3.2 引脚功能

• 模拟输入引脚（(V{INA+})、(V{INA-})、(V{INB+})、(V{INB-})）：分别为ADC A和ADC B的模拟输入，构成全差分对。
• 参考引脚（(REF_A)、(REF_B)）：用于连接参考去耦电容，可提供片上2.048 V参考电压，也可使用外部参考电压。
• 参考地（(REFGND)）：参考电路的接地参考点。
• 模拟地（(AGND)）：所有模拟电路的接地参考点。
• 电源引脚（(V_{DD})）：电源输入，范围为2.5 V ± 10%，需进行去耦处理。
• 片选引脚（(CS)）：低电平有效，用于启动转换和帧定串行数据传输。
• 数字地（(DGND)）：所有数字电路的接地参考点。
• 串行数据输出引脚（(SDATA_A)、(SDATA_B)）：以串行数据流形式输出转换数据，数据在SCLK下降沿输出。
• 串行时钟引脚（(SCLK)）：用于访问数据和作为转换过程的时钟源。
• 逻辑电源引脚（(V_{DRIVE})）：决定接口的工作电压。

4. 工作模式

4.1 正常模式

在正常模式下，AD7357以全功率运行，实现高速数据转换。

4.2 部分功率下降模式

部分功率下降模式可降低功耗，适用于对功耗有一定要求的应用场景。

4.3 全功率下降模式

全功率下降模式下，功耗进一步降低，可在不需要转换时使用，以节省能量。

5. 时序规格

AD7357的时序规格包括SCLK频率范围、转换时间、安静时间、建立时间、延迟时间等，这些参数对于正确使用该器件至关重要。例如，SCLK频率范围为500 kHz - 80 MHz，转换时间为 (t{2} + 15.5 × t{SCLK}) ns。

6. 绝对最大额定值

使用AD7357时，需要注意其绝对最大额定值，包括电源电压、输入电压、输入电流、工作温度范围等。超出这些额定值可能会导致器件损坏，影响系统的可靠性。

7. 典型性能特性

通过典型性能特性曲线，我们可以直观地了解AD7357在不同条件下的性能表现，如FFT、DNL、INL、SNR与模拟输入频率的关系，PSRR与电源纹波频率的关系等。这些曲线有助于工程师在设计过程中评估器件的性能，优化系统设计。

8. 术语解释

文档中涉及了一些专业术语，如积分非线性（INL）、差分非线性（DNL）、负满量程误差、正满量程误差、ADC间隔离度、电源抑制比（PSRR）、共模抑制比（CMRR）等。了解这些术语的含义对于正确理解和使用AD7357至关重要。

9. 工作原理

9.1 电路信息

AD7357内部包含两个片上差分采样保持放大器、两个逐次逼近型ADC和一个串行接口。串行时钟输入不仅用于访问数据，还为每个逐次逼近型ADC提供时钟源。

9.2 转换操作

ADC的转换过程分为采集和转换两个阶段。在采集阶段，采样电容阵列获取输入的差分信号；在转换阶段，开关状态改变，开始逐次逼近转换。

总结

AD7357凭借其高性能、低功耗、宽温度范围和多种封装形式等优点，在汽车、数据采集等领域具有广泛的应用前景。作为电子工程师，我们在使用AD7357时，需要充分了解其技术规格、引脚配置、工作模式和工作原理，合理设计电路，以实现最佳的系统性能。大家在实际应用中是否遇到过类似ADC的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。