1.75 MSPS、4 mW的10位/12位并行ADC——AD7470/AD7472深度剖析

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的桥梁。今天，我们要深入探讨ADI公司的两款高性能ADC——AD7470和AD7472，它们在高速、低功耗方面表现出色，为众多应用场景提供了优秀的解决方案。

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一、产品概述

AD7470和AD7472分别是10位和12位的高速、低功耗逐次逼近型ADC。它们采用单电源供电，电压范围为2.7 V至5.25 V，AD7470的最高吞吐量可达1.75 MSPS，AD7472则为1.5 MSPS。这两款ADC内部集成了低噪声、宽带宽的跟踪保持放大器，能够处理超过1 MHz的输入频率。

二、关键特性

2.1 供电与吞吐量

• 供电范围：支持2.7 V至5.25 V的宽电源电压范围，适用于多种电源环境。
• 吞吐量：AD7470在10位分辨率下可达1.75 MSPS，AD7472在12位分辨率下可达1.5 MSPS，满足高速数据采集的需求。

2.2 低功耗设计

• 不同供电和吞吐量下的功耗：以AD7470为例，在3 V供电、1.5 MSPS吞吐量时，典型功耗为3.34 mW；在5 V供电、1.75 MSPS吞吐量时，典型功耗为7.97 mW。AD7472同样在不同条件下展现出低功耗特性。
• 睡眠模式：睡眠模式下典型电流仅为50 nA，有效降低了系统功耗。

2.3 高性能指标

• 输入带宽：具有70 dB的典型信噪比（SNR），在500 kHz输入频率下表现出色。
• 无流水线延迟：采用标准逐次逼近型ADC架构，通过CONVST输入精确控制采样时刻，无流水线延迟，保证了数据的实时性。

2.4 灵活的电源/吞吐量管理

• 时钟控制：转换速率由外部时钟决定，可根据实际需求降低转换速率以减少功耗。
• 自动睡眠模式：在较低吞吐量时，可进入自动睡眠模式，进一步提高电源效率。

三、功能框图与引脚说明

3.1 功能框图

AD7470/AD7472的功能框图清晰地展示了其内部结构，包括模拟输入、跟踪保持放大器、逐次逼近型ADC核心、控制逻辑和输出驱动器等部分。通过这些模块的协同工作，实现了模拟信号到数字信号的转换。

3.2 引脚功能

• CS（片选）：与RD配合使用，用于访问转换结果。
• RD（读取）：与CS配合，将转换结果放置在数据总线上。
• CONVST（转换启动）：下降沿触发转换，同时使跟踪保持放大器从跟踪模式进入保持模式。
• CLK IN（主时钟输入）：决定转换时间和吞吐量，AD7472转换需14个时钟周期，AD7470需12个时钟周期。
• BUSY（忙信号）：指示转换状态，转换开始时变高，转换完成后变低。
• REF IN（参考输入）：需外接参考电压，推荐2.5 V，决定模拟输入范围。
• AVDD（模拟电源）：为模拟电路供电，范围2.7 V至5.25 V。
• DVDD（数字电源）：为数字电路供电，范围2.7 V至5.25 V。
• AGND（模拟地）：模拟电路的接地参考点。
• DGND（数字地）：数字电路的接地参考点。
• VIN（模拟输入）：单端模拟输入通道，范围0 V至REF IN。
• VDRIVE（输出驱动器电源）：决定数据输出引脚的高电平电压，可独立供电以实现与不同逻辑电平的接口。
• DB0 - DB9/11（数据位输出）：并行数字输出，提供转换结果。

四、性能参数

4.1 动态性能

• 信噪比（SNR）：在不同输入频率和供电电压下，AD7470和AD7472都能保持较高的SNR，如在500 kHz输入频率下，AD7472的SNR可达69 dB。
• 总谐波失真（THD）：THD指标良好，有效减少了信号失真。
• 其他指标：还包括峰谐波或杂散噪声（SFDR）、互调失真（IMD）等，均满足高性能ADC的要求。

4.2 直流精度

• 分辨率：AD7470为10位，AD7472为12位。
• 积分非线性（INL）：保证在一定范围内，确保转换精度。
• 微分非线性（DNL）：同样在合理范围内，避免出现漏码现象。
• 偏移误差和增益误差：控制在较小值，提高了转换的准确性。

4.3 其他参数

• 模拟输入：输入电压范围为0 V至REF IN，直流泄漏电流和输入电容等参数也有明确规定。
• 参考输入：REF IN引脚需外接参考电压，电压范围为2.5 V ±1%。
• 逻辑输入和输出：规定了输入高、低电压，输入电流和电容等参数，以及输出高、低电压，浮动状态泄漏电流和输出电容等。
• 转换速率：包括转换时间、跟踪保持采集时间和吞吐量等参数，不同型号有所差异。
• 电源要求：明确了正常模式和睡眠模式下的电源电压、电流和功耗等参数。

五、工作模式

5.1 模式1（高速采样）

在该模式下，CONVST脉冲在转换结束前（BUSY变低前）变高。若在BUSY为高时CONVST从高变低，转换将重新开始。此模式下，需在BUSY变低后的采集时间过后才能启动新的转换，以确保跟踪保持电路准确采集输入信号。该模式适用于对吞吐量要求较高的场景。

5.2 模式2（睡眠模式）

CONVST线变低启动转换，并保持低电平直到转换结束。当BUSY从高变低时，若CONVST仍为低电平，器件将进入睡眠模式。在CONVST上升沿器件唤醒，唤醒时间约为1 µs。此模式可有效降低功耗，适用于对功耗敏感的应用。

5.3 突发模式

突发模式是模式1和模式2的子模式，时钟非连续。仅在转换期间开启时钟，AD7470至少需要12个时钟周期，AD7472至少需要14个时钟周期。通过在非转换期间关闭时钟，节省了系统功率。但需注意时钟启动时间，否则会影响INL指标。

六、电路设计与应用

6.1 典型连接图

典型连接图展示了AD7470/AD7472的基本连接方式，包括电源、参考电压、模拟输入、控制信号和数据输出等。建议在电源上电后进行一次虚拟转换，以确保首次转换结果的准确性。

6.2 参考输入

推荐使用ADR291、AD780、REF192、ADR421等参考源，最佳参考电压为2.5 V。参考电压超出2 V至3 V范围时，性能会有所下降。

6.3 模拟输入缓冲

在交流应用中，建议对模拟输入信号进行缓冲，以降低源阻抗，减少ADC的采集时间。推荐使用AD8021、AD8047、AD8051、AD9631和AD797等运算放大器进行缓冲。

6.4 时钟源

AD7470的最大时钟频率为30 MHz，AD7472为26 MHz。虽然这些频率并非标准的现货振荡器频率，但市场上有接近这些频率的振荡器模块可供选择，也可定制特定频率的振荡器。

6.5 并行接口

AD7470和AD7472分别具有10位和12位的并行接口，通过CS和RD信号控制数据输出。在转换过程中，数据总线状态不能改变，否则会影响转换结果。

6.6 与微处理器的接口

AD7470/AD7472可与多种微处理器进行接口，如ADSP - 2185、ADSP - 21065L、TMS320C25、PIC17C4x和80C186等。不同的接口方式根据微处理器的特点进行设计，以实现数据的准确采集和处理。

七、PCB布局与接地

7.1 布局原则

• 电源独立：模拟和数字电源独立引脚，减少模拟和数字部分之间的耦合。
• 接地处理：所有接地引脚直接连接到接地平面，减少串联电感。
• 信号分离：模拟信号与数字信号分开，避免干扰。
• 时钟屏蔽：时钟信号进行屏蔽，防止辐射噪声。
• 避免交叉：避免数字和模拟信号交叉，不同层的走线尽量垂直。

7.2 去耦电容

使用多个去耦电容，大电容用于去除低频噪声，小电容用于去除高频噪声。去耦电容应直接放置在电源入口和器件电源引脚附近，以减少噪声对电源的影响。

八、总结

AD7470/AD7472以其高速、低功耗、高性能的特点，为电子工程师提供了优秀的ADC解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体需求选择合适的型号和工作模式，并注意PCB布局和接地等问题，以充分发挥其性能优势。你在使用类似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。