AD7685：16位250 kSPS PulSAR ADC的技术剖析与应用指南

在电子工程师的日常工作中，模拟 - 数字转换器（ADC）是至关重要的组件，它能将模拟信号转化为数字信号，为后续的数字处理提供基础。今天，我们就来深入了解一款高性能的16位250 kSPS PulSAR ADC——AD7685。

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一、AD7685的关键特性

1. 高精度与高速度

AD7685具备16位分辨率且无失码，吞吐量可达250 kSPS。其积分非线性（INL）典型值为±0.6 LSB，最大值为±2 LSB（±0.003%的满量程范围FSR），在20 kHz时的信纳比（SINAD）达到93.5 dB，总谐波失真（THD）为 - 110 dB，这些参数都表明了它在高精度信号转换方面的卓越性能。

2. 灵活的输入范围与接口

它采用伪差分模拟输入范围，从0 V到 (V{REF})，其中 (V{REF}) 最高可达电源电压 (V_{DD})。同时，支持单电源2.3 V至5.5 V供电，逻辑接口电压范围为1.8 V至5 V，拥有专有的串行接口，与SPI、QSPI、MICROWIRE、DSP兼容，还能实现多个ADC的菊花链连接，并提供BUSY指示功能。

3. 低功耗设计

AD7685在不同的工作模式下展现出出色的低功耗特性。在2.5 V/100 SPS时，功耗仅为1.4 µW；在2.5 V/100 kSPS时，功耗为1.35 mW；在5 V/100 kSPS时，功耗为4 mW。待机电流低至1 nA，非常适合电池供电的设备。

二、技术规格详解

1. 电气参数

• 分辨率：16位，确保了高精度的信号转换。
• 模拟输入：电压范围为0至 (V_{REF})，绝对输入电压有一定的限制范围，模拟输入共模抑制比（CMRR）在250 kHz时为65 dB。
• 精度指标：无失码，差分线性误差和积分线性误差都在合理范围内，过渡噪声在REF = (V_{DD}) = 5 V时为0.5 LSB。
• 吞吐量：在不同的电源电压下，转换速率有所不同， (V{DD}) = 4.5 V至5.5 V时为250 kSPS， (V{DD}) = 2.3 V至4.5 V时为200 kSPS。
• 交流精度：包括信噪比（SNR）、无杂散动态范围（SFDR）、总谐波失真（THD）和信纳比（SINAD）等指标，在不同的输入频率和参考电压下表现良好。

  2. 时序规格

  不同的电源电压和接口电压下，AD7685的时序参数有所差异，如转换时间、采集时间、时钟周期等。例如，在 (V_{DD}) = 4.5 V至5.5 V时，转换时间从CNV上升沿到数据可用的最小值为0.5 µs，最大值为2.2 µs。

三、工作原理与电路分析

1. 转换原理

AD7685采用逐次逼近型架构，基于电荷再分配DAC。在采集阶段，电容阵列作为采样电容获取模拟信号；转换阶段，通过开关切换电容阵列，使比较器达到平衡状态，最终生成ADC输出代码和BUSY信号。

2. 典型应用电路

典型的应用电路中，需要考虑参考电压输入、驱动放大器选择、电源供应等因素。参考电压输入REF应使用低阻抗源驱动，并进行有效的去耦；驱动放大器要满足低噪声和合适的THD性能要求；电源供应方面，AD7685使用两个电源引脚 (V{DD}) 和 (V{IO})，可根据需要将它们连接在一起。

四、数字接口模式

1. CS模式

• 3线无BUSY指示：适用于单个AD7685连接到SPI兼容数字主机的情况。通过CNV上升沿启动转换，转换完成后，数据通过SCK时钟输出。
• 3线有BUSY指示：当数字主机有中断输入时可采用此模式。转换完成后，SDO从高阻态变为低电平，可作为中断信号触发数据读取。
• 4线无BUSY指示：常用于多个AD7685连接到SPI兼容数字主机的场景。每个ADC的结果可通过控制SDI输入来读取。
• 4线有BUSY指示：能保持CNV与数据读取信号的独立性，适用于对CNV抖动要求较低的应用。

  2. 菊花链模式

• 无BUSY指示：可将多个AD7685在3线串行接口上进行菊花链连接，数据读取类似于移位寄存器的操作。
• 有BUSY指示：同样用于多个AD7685的菊花链连接，同时提供BUSY指示功能，方便触发数据读取。

五、应用提示与布局建议

1. 布局要点

PCB设计时，应将模拟和数字部分分开，避免数字线路在器件下方走线，防止噪声耦合。至少使用一个接地平面，参考电压输入REF应进行有效的去耦，电源 (V{DD}) 和 (V{IO}) 也需使用陶瓷电容进行去耦。

2. 性能评估

可使用EVAL - AD7685SDZ评估板对AD7685的性能进行评估，该评估板提供了完整的测试环境和软件支持。

六、实际应用案例

在一些对精度和隔离要求较高的应用中，如电力监测、电机控制和医疗设备等，可采用AD7685和ADuM1402C数字隔离器组成的电路，实现紧凑且高性能的解决方案。多个AD7685进行菊花链连接，减少了需要隔离的信号数量，同时利用ADR391低 dropout参考电压和AD8618放大器，提供了真正的双极性输入范围。

AD7685凭借其高精度、高速度、低功耗和灵活的接口等特性，在众多领域都有着广泛的应用前景。作为电子工程师，深入了解和掌握AD7685的技术细节，能帮助我们更好地设计出高性能的电路系统。大家在实际应用中遇到过哪些与AD7685相关的问题呢？欢迎在评论区分享交流。