AD7940：14位低功耗ADC的卓越之选

作为一名电子工程师，在硬件设计中，模数转换器（ADC）的选择至关重要。今天，我将为大家详细介绍一款性能出色的14位ADC——AD7940，希望能为大家在设计电路时提供一些参考。

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产品概述

AD7940是一款由ADI公司推出的14位、高速、低功耗逐次逼近型ADC。它的设计十分精妙，仅需一个2.5V至5.5V的单电源供电，就能实现高达100 kSPS的吞吐量。其内部集成了低噪声、宽带宽的采样保持放大器，可处理超过7MHz的输入频率。这一特性使得它能在多种高频信号处理场景中发挥出色性能。此外，它的参考电压直接取自电源电压(V{DD})，这就让ADC拥有了最宽的动态输入范围，即其模拟输入范围为0V至(V{DD})，为我们的电路设计提供了极大便利。

AD7940的显著特性

高速低功耗

它具备100 kSPS的快速吞吐量，同时功耗极低。在3V电源、100 kSPS采样率下，典型功耗仅4mW；5V电源、100 kSPS采样率时，典型功耗为17mW。这在需要长时间运行且对功耗敏感的应用中，优势不言而喻。比如在电池供电系统中，低功耗特性可以有效延长电池的使用时间，减少更换电池的频率，提高系统的稳定性和可靠性。

宽输入带宽

在10kHz输入频率下，能达到81dB的SINAD（信噪失真比），这表明它在处理较宽频率范围的输入信号时，能够保持较高的信号质量，减少失真和噪声的干扰，从而为后续的信号处理提供更准确的数据。

灵活的电源和时钟管理

AD7940的转换速率由串行时钟（SCLK）频率决定。通过提高SCLK速度，我们可以缩短转换时间。而且在不进行转换时，使用掉电模式能降低平均功耗。它还具备待机模式，最大电流仅0.5µA，这对于一些需要间歇性工作或者长时间待机的应用来说，是非常实用的功能。例如，在一些远程数据采集系统中，设备可能大部分时间处于待机状态，只有在特定时间才进行数据采集，AD7940的低待机功耗特性就能有效降低系统的整体能耗。

无流水线延迟

这一特性使得数据能够及时、准确地进行转换和输出，避免了因流水线延迟导致的数据处理不及时问题，特别适用于对实时性要求较高的应用场景，如医疗仪器中的实时监测设备，能够快速准确地将模拟信号转换为数字信号，为医生提供及时的诊断依据。

高速串行接口

它支持SPI®/QSPI™/MICROWIRE™/DSP等多种接口标准，方便与微处理器或DSP进行连接和数据传输，增加了其在不同系统中的兼容性和通用性。

小巧封装

提供6引脚SOT - 23和8引脚MSOP两种封装形式，节省了电路板空间，适合对尺寸要求较高的应用。比如在一些便携式设备，如个人数字助理（PDA）、移动通讯设备等中，小巧的封装能够让电路板设计更加紧凑，从而减小设备的整体体积。

性能参数详解

动态性能

在10kHz正弦波输入时，SINAD达到81dB，THD（总谐波失真）为 - 98dB，SFDR（无杂散动态范围）为 - 95dB，IMD（互调失真）也表现出色。这些参数表明它在处理正弦波信号时，能够有效抑制噪声和失真，保证输出信号的质量。对于对信号质量要求较高的应用，如音频处理、通信系统等，AD7940能够提供准确可靠的数据。

直流精度

包括积分非线性（INL）、差分非线性（DNL）、失调误差和增益误差等指标，都在合理范围内，确保了转换结果的准确性。INL和DNL反映了ADC实际转换特性与理想特性的偏差，较小的误差值意味着ADC能够更准确地将模拟信号转换为数字信号。失调误差和增益误差则会影响转换结果的线性度和准确性，AD7940在这些方面的良好表现，为我们的电路设计提供了可靠的保障。

模拟输入

输入电压范围为0V至(V_{DD})，直流泄漏电流最大为±0.3µA，输入电容典型值为30pF。在设计模拟输入电路时，我们需要考虑这些参数，以确保输入信号的准确性和稳定性。例如，输入电容可能会对输入信号的高频特性产生影响，我们可以通过合理选择输入信号源的阻抗和添加适当的滤波电路来减少这种影响。

逻辑输入输出

逻辑输入输出的电压和电流参数都有明确规定，输出编码为自然二进制。在与其他数字电路连接时，我们需要确保逻辑电平的匹配，以保证数据传输的准确性。例如，如果与不同电源电压的微处理器连接，需要注意信号的电平转换问题，避免因电平不匹配导致数据传输错误。

转换速率

转换时间最大为8µs，采样保持采集时间最大为500ns，吞吐量速率最大为100kSPS。这些参数决定了ADC的转换速度和处理能力，在设计系统时，我们需要根据实际需求选择合适的转换速率。例如，对于需要快速响应的应用，如高速数据采集系统，我们需要选择较高的吞吐量速率。

电源要求

正常模式下功耗根据不同电源电压和采样率有所不同，全功率掉电模式下功耗极低。在实际应用中，我们可以根据系统的工作状态和功耗要求，合理选择电源模式，以达到节能的目的。例如，在系统空闲时，将ADC切换到全功率掉电模式，降低功耗；在需要进行数据采集时，切换到正常模式，确保ADC的正常工作。

工作模式及应用

工作模式

• 正常模式：能提供最快的吞吐量速率，适合对转换速度要求较高的连续采样应用。在正常模式下，用户无需担心上电时间，因为AD7940一直保持全功率状态。转换过程在(overline{CS})的下降沿启动，至少需要16个串行时钟周期才能完成转换并获取完整的转换结果。
• 掉电模式：适用于对吞吐量速率要求较低的应用，可在转换之间或多次转换的突发之间节省功耗。进入掉电模式时，需要在SCLK的第二个下降沿之后、第10个下降沿之前将(overline{CS})置为高电平。退出该模式时，需要进行一次虚拟转换，确保设备完全上电。

典型应用

• 电池供电系统：凭借其低功耗特性，能有效延长电池使用寿命，减少频繁更换电池的麻烦。例如，在一些便携式医疗设备中，如便携式血糖仪、血压计等，AD7940的低功耗特性可以让设备在一次充电后使用更长时间，方便用户携带和使用。
• 个人数字助理（PDA）：小巧的封装和高速的数据转换能力，可满足PDA对空间和性能的要求。在PDA中，AD7940可以用于传感器数据的采集和处理，如加速度传感器、光照传感器等，为PDA提供更丰富的功能。
• 医疗仪器：高精度和无流水线延迟的特点，使其能够快速准确地采集和处理生物信号。在心电图仪、脑电图仪等医疗设备中，AD7940可以将人体生物电信号转换为数字信号，为医生的诊断提供准确的数据支持。
• 移动通信：宽输入带宽和低功耗使其在移动设备中表现出色。在手机、平板电脑等移动通信设备中，AD7940可以用于射频信号的采集和处理，提高设备的通信性能。
• 仪器仪表和控制系统：可以实现对各种模拟信号的精确测量和控制。在工业自动化控制系统中，AD7940可以采集温度、压力、流量等模拟信号，并将其转换为数字信号，供控制系统进行处理和决策。
• 远程数据采集系统：长时间工作和低功耗的优势，使其能够在远程环境中稳定运行。在一些偏远地区的气象站、水质监测站等远程数据采集系统中，AD7940可以将采集到的环境数据通过无线通信方式传输到监控中心，为环境监测和研究提供数据支持。

设计注意事项

接地和布局

在设计印刷电路板（PCB）时，应将模拟和数字部分分开，并分别设置独立的接地平面。模拟地和数字地应在一点连接，以减少噪声干扰。避免在器件下方布置数字线路，模拟接地平面应延伸至AD7940下方。电源线路应使用较宽的走线，以降低阻抗。同时，要注意对时钟等快速开关信号进行屏蔽，避免其辐射噪声影响其他电路。例如，在设计PCB时，我们可以采用多层板结构，将模拟电路和数字电路分别布置在不同的层上，并通过过孔将模拟地和数字地连接在一起。对于时钟信号，可以采用屏蔽线或在其周围布置接地保护环的方式进行屏蔽。

评估性能

ADI提供了AD7940的评估板，用户可以使用其配套的软件进行交流（FFT）和直流（代码直方图）测试，以评估其性能。评估板上通常已经集成了必要的电路和接口，方便用户进行测试和开发。通过使用评估板，我们可以快速了解AD7940的性能特点，发现潜在的问题，并进行相应的调整和优化。 在实际应用中，电子工程师还需根据具体的设计要求和系统环境，综合考虑各种因素，合理选择和使用AD7940。大家在使用AD7940的过程中遇到过哪些问题呢？又有哪些独特的设计经验可以分享呢？欢迎在评论区留言讨论。