16位100 kSPS PulSAR差分ADC AD7684：性能与应用详解

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。AD7684作为一款16位的ADC，在众多应用场景中展现出了卓越的性能。下面我们就来深入了解一下这款产品。

文件下载：AD7684.pdf

1. 产品特性

1.1 高精度与高速度

AD7684具备16位分辨率且无失码，能够提供精确的转换结果。其吞吐量可达100 kSPS，能满足大多数高速数据采集的需求。INL（积分非线性误差）典型值为±1 LSB，最大值为±3 LSB，保证了转换的线性度。

1.2 宽输入范围与单电源操作

它支持真正的差分模拟输入范围为±VREF，并且在两个输入上，VREF最高可达VDD，输入范围为0 V到VREF。同时，该ADC采用单电源供电，电压范围为2.7 V至5.5 V，这使得它在不同电源环境下都能稳定工作。

1.3 低功耗设计

AD7684的功耗表现十分出色。在5 V电源下功耗为4 mW，2.7 V电源下为1.5 mW，当工作在2.7 V且采样率为10 kSPS时，功耗仅为150 μW。此外，其待机电流低至1 nA，非常适合电池供电的设备。

1.4 兼容多种接口

它拥有SPI®、QSPI - ™、MICROWIRE - ™、DSP兼容的串行接口，方便与各种数字设备进行通信。

1.5 小封装设计

采用8引脚的MSOP封装，节省了电路板空间，适用于对空间要求较高的应用。

2. 应用领域

AD7684的特性使其在多个领域都有广泛的应用：

• 电池供电设备：低功耗的特点使其成为电池供电设备的理想选择，如便携式仪器、可穿戴设备等。
• 数据采集：高精度和高速度的转换能力，能够满足数据采集系统对数据准确性和实时性的要求。
• 仪器仪表：在各类仪器仪表中，提供精确的模拟信号转换，确保测量结果的可靠性。
• 医疗仪器：医疗设备对精度和稳定性要求极高，AD7684能够满足这些需求，如心电监测仪、血糖仪等。
• 过程控制：在工业过程控制中，实现对模拟信号的准确采集和处理，保障生产过程的稳定运行。

3. 技术规格

3.1 电气参数

• 分辨率：16位
• 模拟输入：电压范围为±VREF，绝对输入电压为 - 0.1 VDD + 0.1 V，共模输入范围为0至VREF/2 + 0.1 V，模拟输入CMRR（共模抑制比）在fIN = 100 kHz时为65 dB。
• 吞吐量：完整周期为10 μs，吞吐量速率为0至100 kSPS，DCLOCK频率为0至2.9 MHz。
• 参考电压：范围为0.5 VDD + 0.3 V，负载电流在特定条件下为50 μA。
• 数字输入输出：逻辑电平有明确规定，数据格式为串行16位二进制补码。

3.2 精度指标

在不同电源电压和温度条件下，AD7684都能保持较高的精度。例如，在VDD = 5 V、VREF = VDD、TA = - 40°C至 + 85°C的条件下，无失码，积分线性误差典型值为±1 LSB，最大值为±3 LSB；增益误差温度漂移为±0.3 ppm/°C至±15 ppm/°C；零误差在 - 0.4 mV至 + 1.6 mV之间，零温度漂移为±0.3 ppm/°C；电源灵敏度为±0.05 LSB。

3.3 交流精度

在fIN = 1 kHz时，信噪比（SNR）为88至91 dB，无杂散动态范围（SFDR）为 - 108 dB，总谐波失真（THD）为 - 106 dB，信噪失真比（SINAD）为88至91 dB，有效位数（ENOB）为14.8位。

4. 工作原理

4.1 转换操作

AD7684是基于电荷再分配DAC的逐次逼近型ADC。在采集阶段，电容阵列连接到模拟输入，采集+IN和 - IN输入上的模拟信号。当采集阶段完成且CS输入变低时，转换阶段开始。通过切换电容阵列的各个元素，使比较器达到平衡，最终生成ADC输出代码。

4.2 传输函数

其理想传输函数明确了不同模拟输入电压对应的数字输出代码。例如，当VREF = 5 V时，FSR - 1 LSB对应的模拟输入电压为 + 4.999847 V，数字输出代码为7FFF；Midscale对应的模拟输入电压为0 V，数字输出代码为0000。

5. 应用设计要点

5.1 模拟输入

模拟输入（+IN， - IN）需要以180°的相位差进行差分驱动。如果将任一输入固定在GND或固定直流电压上，会导致转换结果错误。输入结构中的二极管提供ESD保护，但要注意输入信号不能超过电源轨0.3 V。当驱动电路的源阻抗较低时，AD7684可以直接驱动；源阻抗较大时，会显著影响交流性能，尤其是THD。

5.2 驱动放大器选择

驱动放大器需要满足低噪声和THD性能要求。AD7684本身噪声水平较低，因此可以使用噪声稍高的运算放大器，但仍需保证系统性能。对于多通道复用应用，驱动放大器和AD7684模拟输入电路需要能够在16位水平上实现满量程阶跃的稳定。推荐的驱动放大器有ADA4841 - x、ADA4941 - 1等。

5.3 电压参考输入

AD7684的电压参考输入REF具有动态输入阻抗，需要由低阻抗源驱动，并在REF和GND引脚之间进行有效的去耦。使用低温度漂移的参考电压或参考缓冲器时，10 μF的陶瓷芯片电容可实现最佳性能，较小的电容值（如2.2 μF）对性能影响较小。

5.4 电源

AD7684在每个转换阶段结束后会自动掉电，功耗与采样率成线性关系，适合低采样率和电池供电应用。

5.5 数字接口

该ADC与SPI、QSPI、数字主机和DSP兼容。在CS下降沿启动转换和数据传输，数据位通过DCLOCK下降沿依次输出，数据在DCLOCK的两个边沿都有效。

5.6 布局

印刷电路板设计时，应将模拟和数字部分分开，并使用至少一个接地平面。避免数字线路在器件下方布线，防止噪声耦合到芯片上。快速切换信号应远离模拟信号路径，避免数字和模拟信号交叉。同时，要对电压参考输入和电源进行去耦处理。

6. 总结

AD7684作为一款高性能的16位ADC，凭借其高精度、高速度、低功耗、小封装等优点，在多个领域都有出色的表现。在实际应用中，工程师需要根据具体需求，合理选择驱动放大器、电压参考源，进行优化的布局设计，以充分发挥AD7684的性能。你在使用AD7684或其他ADC时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。