18位高精度ADC——AD7690的深度解析与应用指南

在电子工程师的日常工作中，模数转换器（ADC）是实现模拟信号到数字信号转换的关键部件。今天，我们要深入探讨的是Analog Devices公司推出的一款18位、400 kSPS的差分ADC——AD7690，它在数据采集、医疗仪器等众多领域都有着广泛的应用。

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一、AD7690的核心特性

1. 高精度与高分辨率

AD7690具备18位的分辨率，且无失码现象，这意味着它能够提供非常精确的数字输出。其典型积分非线性（INL）为±0.75 LSB，最大为±1.5 LSB（±6 ppm of FSR），能够准确地将模拟信号转换为数字信号，满足高精度测量的需求。

2. 出色的动态性能

在400 kSPS的吞吐量下，动态范围可达102 dB；在1 kSPS的过采样条件下，动态范围更是能达到125 dB。同时，在1 kHz时，信噪比（SINAD）为101.5 dB，总谐波失真（THD）为 -125 dB，这些指标都表明AD7690在动态性能方面表现卓越。

3. 灵活的接口与低功耗

它采用单电源5 V供电，支持1.8 V/2.5 V/3 V/5 V的逻辑接口，具有SPI/QSPI/MICROWIRE™/DSP兼容的串行接口，还支持多个ADC的菊花链连接和忙指示功能。此外，其功耗极低，在100 SPS时功耗仅为4.25 μW，在100 kSPS时为4.25 mW，待机电流仅为1 nA，非常适合电池供电的设备。

二、技术参数详解

1. 电气参数

参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
分辨率		18			Bits
模拟输入电压范围	IN+ to IN−	-VREF - 0.1		+VREF	V
共模输入范围	IN+, IN−	VREF / 2 - 0.1		VREF / 2 + 0.1	V
模拟输入CMRR	fIN = 250 kHz	65			dB
漏电流（25°C）				1	nA
输入阻抗	采集阶段
吞吐量	满量程阶跃	0		400	kSPS
转换时间	CNV上升沿到数据可用	0.5		2.1	μs
采集时间		400			ns

2. 时序参数

AD7690的时序参数对于正确使用至关重要。例如，CNV脉冲宽度（CS模式）为10 ns，SCK周期（CS模式）为15 ns等。这些参数确保了ADC能够准确地进行数据采集和转换。

三、工作原理与电路结构

1. 逐次逼近型ADC架构

AD7690采用逐次逼近型ADC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，采集IN+和IN−输入的模拟信号。当采集阶段完成且CNV输入变高时，转换阶段开始，通过切换电容阵列的开关，使比较器输入达到平衡，最终生成ADC输出代码和忙信号指示。

2. 典型连接图

文档中给出了AD7690在多电源情况下的典型连接图，包括参考电压输入、模拟输入、数字接口等部分。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的驱动放大器和滤波器，以确保ADC的性能。

四、应用场景与设计要点

1. 应用场景

AD7690适用于多种应用场景，如电池供电设备、数据采集、地震数据采集系统、数字万用表、仪器仪表和医疗仪器等。其高精度和低功耗特性使其在这些领域具有很大的优势。

2. 驱动放大器选择

选择合适的驱动放大器对于AD7690的性能至关重要。驱动放大器的噪声要尽可能低，以保证ADC的信噪比和转换噪声性能。对于交流应用，驱动放大器的THD性能要与AD7690相匹配。在多通道复用应用中，驱动放大器和AD7690的模拟输入电路必须能够在18位水平上对满量程阶跃进行稳定。

3. 布局设计

在PCB布局设计时，要将模拟和数字部分分开，避免数字线路在器件下方布线，防止噪声耦合到芯片上。同时，要使用至少一个接地平面，参考电压输入REF要进行有效的去耦，VDD和VIO电源也要使用陶瓷电容进行去耦。

五、总结与思考

AD7690作为一款高性能的18位ADC，具有高精度、高动态范围、低功耗和灵活的接口等优点，在众多领域都有着广泛的应用前景。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择驱动放大器、进行布局设计，以充分发挥AD7690的性能。同时，我们也可以思考如何进一步优化电路设计，提高系统的整体性能。你在使用AD7690或其他ADC时，遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。