详解 AD7656/AD7657/AD7658：高性能多通道 ADC 的设计利器

详解 AD7656/AD7657/AD7658：高性能多通道 ADC 的设计利器

在电子工程师的日常设计工作中，模数转换器（ADC）是极为关键的元件，它能将模拟信号精准转换为数字信号，广泛用于各类电子设备中。今天，我们就来深入剖析 Analog Devices 公司推出的 AD7656/AD7657/AD7658 这几款 6 - 通道、同步采样、双极性 16 -/14 -/12 位 ADC，看看它们有哪些独特之处，能为我们的设计带来怎样的便利。

文件下载：AD7657.pdf

一、产品概述

AD7656/AD7657/AD7658 采用 iCMOS（工业 CMOS）工艺，将六个 16 -/14 -/12 位的快速、低功耗逐次逼近型 ADC 集成在一个封装中。这种工艺将高电压硅与亚微米 CMOS 和互补双极技术相结合，使得器件能够处理高达 33V 的电压，同时显著降低了功耗和封装尺寸。它支持高达 250kSPS 的吞吐量，可处理频率高达 12MHz 的输入信号，并且具备真正的双极性模拟输入，输入范围可通过引脚或软件选择为 ±10V 或 ±5V。

二、产品特性亮点

1. 高性能 ADC 阵列：板载六个 16 -/14 -/12 位、250kSPS 的 ADC，能够实现多通道的同步采样，大大提高了数据采集的效率和准确性。
2. 双极性高阻抗输入：六个真正的双极性、高阻抗模拟输入通道，可直接处理双极性信号，无需额外的信号调理电路，简化了设计流程。
3. 丰富的接口模式：提供并行和高速串行接口，支持 SPI、QSPI、MICROWIRE 和 DSP 兼容的串行通信协议，还具备菊花链功能，方便多个 ADC 级联，满足不同系统的连接需求。
4. 低功耗设计：正常工作模式下功耗仅 140mW，待机模式下最大功耗仅 100µW，适合对功耗要求较高的应用场景。
5. 内置参考和缓冲：集成了 2.5V 的内部参考和参考缓冲器，减少了外部元件的使用，提高了系统的稳定性和可靠性。

三、详细技术参数

这三款 ADC 在不同的性能指标上有各自的特点，下面我们分别来看一下它们的关键参数：

• AD7656：16 位分辨率，在 50kHz 输入频率下，信噪比（SNR）典型值可达 86.5dB，总谐波失真（THD）典型值为 - 92dB（VDD/VSS = ±5V 至 ±10V 时）， - 100dB（VDD/VSS = ±12V 至 ±16.5V 时）。
• AD7657：14 位分辨率，SNR 最小为 81.5dB（B 版本）和 82.5dB（Y 版本），典型值为 83.5dB，THD 典型值为 - 89dB 至 - 92dB。
• AD7658：12 位分辨率，SNR 最小为 73dB，典型值为 73.5dB，THD 典型值为 - 92dB。

四、工作原理与功能模块

1. 转换过程控制：通过 CONVST 信号和内部振荡器控制转换过程和数据采集。三个 CONVST 引脚可独立控制三对 ADC 进行同步采样，当 CONVSTx 信号从低电平变为高电平时，所选 ADC 对的跟踪保持开关从跟踪模式切换到保持模式，并启动转换。
2. 跟踪保持放大器：具备低噪声、宽带宽的跟踪保持放大器，输入带宽大于 ADC 的奈奎斯特速率，可处理高达 12MHz 的输入频率。在 CONVSTx 信号上升沿，所有跟踪保持放大器同时采样，孔径时间为 10ns，且各通道之间的孔径延迟匹配良好，确保了多通道采样的同步性。
3. 模拟输入部分：能够处理真正的双极性输入电压，通过 RANGE 引脚或控制寄存器中的 RNGx 位选择输入范围。输入结构包含 ESD 保护二极管，使用时需注意输入信号不要超过 VDD 和 VSS 电源轨 300mV。
4. 参考部分：REFIN/REFOUT 引脚可提供内部 2.5V 参考，也可连接外部参考源。内部有三个参考缓冲器，每个 ADC 对对应一个，需要在 REFCAPA、REFCAPB 和 REFCAPC 引脚外接去耦电容。

五、接口模式与使用方法

1. 并行接口：通过 SER/PAR 引脚选择并行接口模式（SER/PAR = 0），可工作在字模式（W/B = 0）或字节模式（W/B = 1）。在字模式下，可通过 CS 和 RD 信号读取转换结果；在字节模式下，DB7/HBEN/DCEN 引脚用于控制数据的高低字节读取顺序。
2. 串行接口：选择串行接口模式（SER/PAR = 1）时，使用 CS 和 SCLK 信号进行数据传输。可通过一个、两个或三个 DOUT 引脚读取数据，支持菊花链模式，方便多个 ADC 级联。
3. 软件选择 ADC：通过 H/S SEL 引脚选择软件模式，可通过控制寄存器选择要同步采样的 ADC 对和输入范围。控制寄存器是一个 8 位的只写寄存器，使用 CS 和 WR 引脚以及 DB[15:8] 数据引脚进行写入操作。

六、应用提示与设计要点

1. 布局设计：在 PCB 设计时，要将模拟和数字部分分开，使用至少一个接地平面，可采用公共或分割平面。分割平面时，数字和模拟接地平面应在一处连接，最好靠近 ADC。避免数字线路在器件下方走线，防止噪声耦合到芯片上。快速切换信号（如 CONVST 或时钟）应使用数字接地屏蔽，避免与模拟信号路径靠近。
2. 电源供应配置：确保在施加模拟输入之前先给 ADC 供电。如果系统的模拟信号调理电路电源与 ADC 的 VDD 和 VSS 电源不同，或者模拟输入可能在 ADC 电源建立之前施加，建议在模拟输入上串联电阻，并在 VDD 和 VSS 电源上串联肖特基二极管。同时，要对电源引脚进行良好的去耦，使用 100nF 的陶瓷电容和 10μF 的低 ESR 电容。
3. 驱动模拟输入：驱动放大器需要在规定的 550ns 采集时间内，将满量程阶跃输入稳定到 16 位精度（0.0015%），并且要尽量降低噪声，以保证 ADC 的 SNR 和转换噪声性能。推荐使用 AD8021、AD8022、AD8610 和 AD797 等放大器。

七、总结与思考

AD7656/AD7657/AD7658 凭借其高性能、多通道同步采样、低功耗和丰富的接口模式等特点，为电子工程师在电力线监测系统、仪器仪表和控制系统、多轴定位系统等应用领域提供了强大的设计工具。在实际设计过程中，我们需要根据具体的应用需求选择合适的型号，并注意布局、电源配置和模拟输入驱动等方面的设计要点，以充分发挥这些 ADC 的性能优势。

大家在使用 AD7656/AD7657/AD7658 过程中遇到过哪些问题呢？或者对于这类高性能 ADC 的设计应用，你有什么独特的见解？欢迎在评论区分享交流。