AD7810：高效低功耗10位A/D转换器的深度解析

在电子工程领域，对于高性能、低功耗A/D转换器的需求始终存在。今天，我们就来深入探讨一款备受关注的产品——AD7810。它在诸多应用场景中展现出了卓越的性能，下面让我们一同揭开它的神秘面纱。

文件下载：AD7810.pdf

产品概述

AD7810是一款高速、低功耗的10位A/D转换器，其工作电源范围为2.7V至5.5V，涵盖了较宽的电压区间，适用于多种供电环境。它具备2.3µs的快速转换时间，能够满足对转换速度有较高要求的应用。芯片采用8引脚的小型封装，如微型SOIC和DIP等，节省了电路板空间。此外，它在 - 40°C至 + 105°C的宽温度范围内都能稳定工作，并且具有固有的跟踪保持功能，内置的串行接口与微控制器兼容，还支持转换结束时的自动断电功能，大大降低了功耗。

技术亮点剖析

集成度高

AD7810将10位的A/D转换功能、跟踪保持功能以及高速串行接口集成在一个8引脚的微型SOIC封装中，高度的集成化使得工程师在设计电路板时无需额外配置大量外围元件，节省了空间和成本。同时，它可以将参考电压(V{REF})连接到电源(V{DD})，从而无需外部参考电压源，进一步简化了设计。

低功耗性能出众

AD7810采用单电源供电，范围为2.7V至5.5V，在转换过程中典型功耗仅为9mW。尤其在低速转换时，通过启用自动断电模式，功耗能显著降低。例如，在吞吐量为10kSPS时，功耗仅为270µW。这种低功耗特性使得它非常适合电池供电的便携式设备，能够有效延长设备的续航时间。

自动断电功能实用

自动断电模式是AD7810的一大特色。在转换结束后，芯片自动进入低功耗状态，而在新的转换开始前又能迅速“唤醒”。这一功能使得它在电池供电的应用场景中表现出色，极大地提高了能源利用效率，降低了整体功耗。

串行接口便捷

其串行接口设计简单易用，能够方便地与大多数主流微处理器连接，无需额外的外部电路。这不仅降低了设计的复杂度，还提高了系统的稳定性和可靠性。

参数与性能

动态性能

在动态性能方面，当输入频率(fi = 30kHz)，采样频率(f{SAMPLE} = 350kHz)时，信号与（噪声 + 失真）比（SNR）可达58 - 64dB，总谐波失真（THD）最大为 - 64dB。在双音测试中，输入频率(f_a = 48kHz)，(f_b = 48.5kHz)时，二阶和三阶互调失真典型值均为 - 67dB。

直流精度

分辨率为10位，相对精度、差分非线性（DNL）、偏移误差和增益误差的最大偏差在±1至±2 LSB之间，并且保证在10位分辨率下无丢码现象。

输入特性

模拟输入电压范围为0V至(V{REF})，输入泄漏电流最大为±1µA，输入电容最大为15pF。参考输入电压范围为1.2V至(V{DD})，输入泄漏电流最大为±3µA，输入电容最大为20pF。

逻辑特性

逻辑输入的高电平电压(V{INH})最小为2.0V，低电平电压(V{INL})最大为0.4V，输入电流(I{IN})最大为±1µA，输入电容(C{IN})最大为8pF。逻辑输出的高电平电压(V{OH})最小为2.4V，低电平电压(V{OL})最大为0.4V，高阻抗泄漏电流最大为±10µA，高阻抗电容最大为15pF。

转换速率

转换时间最大为2.3µs，跟踪/保持采集时间最大为100ns。

电源特性

电源电压(V{DD})范围为2.7 - 5.5V，最大电流(I{DD})为3.5mA，最大功耗为17.5mW。在自动断电模式下，不同吞吐量对应的功耗也有所不同，如1kSPS时功耗为5µW，10kSPS时为270µW，100kSPS时为2.7mW。

工作原理与电路设计

转换操作原理

AD7810是基于电荷再分配DAC的逐次逼近型A/D转换器，能够将0V至(V{DD})范围内的模拟输入信号转换为数字信号。在采集阶段，开关SW2闭合，SW1处于位置A，比较器保持平衡，采样电容采集(V{IN+})上的信号。当开始转换时，SW2断开，SW1移动到位置B，比较器失去平衡，控制逻辑和电荷再分配DAC通过对采样电容进行充电和放电操作，使比较器重新达到平衡，此时转换完成，控制逻辑生成ADC输出代码。

典型连接与注意事项

在典型连接中，采用两线制实现串行接口，将(V{REF})连接到经过良好去耦的(V{DD})引脚，以提供0V至(V{DD})的模拟输入范围。当首次接通(V{DD})时，AD7810进入低电流的断电模式，通过CONVST引脚的上升沿可使其上电。若对功耗有严格要求，可启用转换结束时的自动断电功能，以提高电源效率。

模拟输入分析

AD7810的模拟输入采用伪差分对结构，(V{IN+})相对于(V{IN})为伪差分信号。在转换过程中，采样电容连接到(V{IN})，这种输入方式可以消除系统中存在的偏移。但需要注意的是，在转换过程中(V{IN})上的信号变化不能超过1/2 LSB，否则会导致转换结果不准确。对于单端操作，(V_{IN})应始终连接到地。

采集时间问题

ADC在每次转换结束后开始新的采集阶段，直到CONVST信号的下降沿结束。采样电路在转换结束后存在约100ns的建立时间，在此期间模拟信号也在被采集，因此最小采集时间约为100ns。在采集阶段，采样电容需要充电到最终值的±1/2 LSB以内，充电时间与源阻抗有关。对于较小的源阻抗，采样电路的建立时间实际上就是ADC的采集时间；而当源阻抗大于2kΩ时，充电时间会显著增加。在交流应用中，建议始终对模拟输入信号进行缓冲，以降低源阻抗，减少采集时间，同时在(V_{IN+})上使用一个外部1nF的电容可以提高性能。

操作模式详解

模式1（高速采样）

在这种模式下，AD7810在两次转换之间不会断电，能够实现较高的吞吐量。通过在转换结束前将CONVST信号置高来达到最佳吞吐量。CONVST信号的下降沿使芯片从跟踪模式进入保持模式，并启动转换，转换时间为2.3µs。转换完成后，当前转换结果被锁存到串行移位寄存器中，同时检查CONVST信号的状态，若为高电平则防止芯片断电。CONVST信号的上升沿使能串行端口，在上升沿之后的任何阶段都可以进行串行读取。如果在当前转换过程结束前启动串行读取，输出的是上一次转换的结果；如果在转换结束后启动读取，则输出当前转换结果。但在转换期间进行读取时，AD7810的动态性能通常会下降最多3dB。

模式2（自动断电）

在该模式下，芯片在转换结束后自动断电。具体操作是在转换结束前保持CONVST信号为低电平。由于芯片断电后上电需要约1.5µs的时间，因此这种模式适用于对吞吐量要求较低的应用，如100kSPS以下。CONVST脉冲的上升沿使芯片上电，上电完成后（约1.5µs）将CONVST信号置低，下降沿启动转换，转换时间为2.3µs。转换结束后，结果被锁存到串行移位寄存器中，芯片随即断电。在这种模式下，有效转换时间为上电时间（1.5µs）和逐次逼近转换时间（2.3µs）之和。与模式1类似，CONVST脉冲的上升沿使能串行端口，如果在上升沿后不久（转换结束前）启动串行读取，输出的是上一次转换的结果；要读取当前转换结果，需要在CONVST信号下降沿后至少等待2.3µs。需要注意的是，串行读取不能跨越下一个CONVST信号的上升沿，且即使芯片处于断电状态，串行端口仍然可以正常工作，这使得芯片仅在转换时上电，转换结束后立即断电，显著降低了低速应用中的功耗。

微处理器接口设计

AD7810的串行接口可以直接连接到多种不同的微处理器。以下是与几种常见微控制器的接口方法：

与PIC16C6x/7x接口

将PIC16C6x的同步串行端口（SSP）配置为SPI主模式，时钟极性位设为0。通过向同步串行端口控制寄存器（SSPCON）写入相应的值来完成配置。在硬件连接上，I/O端口RA1用于产生CONVST脉冲并使能AD7810的串行端口。由于该微控制器每次串行传输仅能传输8位数据，因此需要进行两次连续的读取操作才能获取完整的10位数据。

与MC68HC11接口

将MC68HC11的串行外设接口（SPI）配置为主模式（(MSTR = 0)），时钟极性位（(CPOL = 0)），时钟相位位（(CPHA = 1)）。通过向SPI控制寄存器（SPCR）写入相应的值来完成配置。

与8051接口

AD7810需要与串行数据同步的时钟，因此8051的串行接口必须工作在模式0。在该模式下，串行数据通过RXD输入输出，串行时钟通过TXD输出（半双工）。由于AD7810在串行时钟的上升沿输出数据，因此需要对8051的串行时钟进行反相。此外，也可以使用8051的数据端口实现串行接口，通过“位操作”I/O端口（如P1.0）来生成串行时钟，使用另一个I/O端口（如P1.1）来读取数据。

总结

AD7810凭借其高速、低功耗、小封装和易于使用的特点，在需要10位精度模数转换的低功耗、手持式便携式应用中具有显著的优势，如电池供电的测试设备和通信系统等。电子工程师在设计相关产品时，需要充分考虑其各项参数、操作模式和接口方法，以确保系统能够发挥出最佳性能。希望本文能为大家在使用AD7810时提供一些有益的参考。大家在实际应用过程中是否遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区交流分享！