AD7674：高性能18位SAR ADC的全面解析

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接现实世界模拟信号与数字系统的关键桥梁。今天，我们要深入探讨一款性能卓越的18位、800 kSPS、电荷再分配型逐次逼近寄存器（SAR）全差分ADC——AD7674。

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1. 产品概述

AD7674是一款采用单5V电源供电的高精度ADC，具备18位分辨率且无丢失码，无流水线延迟。它拥有多种工作模式，能在不同场景下实现最佳性能，适用于CT扫描仪、高动态数据采集、地震检波器和水听器传感器等众多应用。

2. 产品特性

2.1 高分辨率与快速吞吐量

AD7674具有18位分辨率，在warp模式下吞吐量可达800 kSPS，能快速准确地对模拟信号进行数字化转换，满足高速数据采集的需求。

2.2 出色的精度

其最大积分非线性（INL）为±2.5 LSB，无18位丢失码，能保证数据转换的高精度，为后续的数据分析和处理提供可靠基础。

2.3 灵活的接口方式

支持并行（18位、16位或8位总线）和串行5V/3V接口，与SPI/QSPI™/MICROWIRE/DSP兼容，方便与不同的数字系统进行连接和通信。

2.4 低功耗设计

在不同工作模式下，功耗表现出色。例如，在impulse模式下，1 kSPS时功耗仅为160 μW，适用于对功耗要求较高的电池供电应用。

3. 技术规格

3.1 电气特性

• 在−40°C至+85°C的温度范围内，参考电压 (V_{REF}=4.096 V)，模拟电源 (AVDD = DVDD = 5 V)，输出接口电源 (OVDD = 2.7 V) 至 (5.25 V) 时，具有良好的性能表现。
• 输入电压范围为± (V_{REF})，输入共模抑制比（CMRR）在100 kHz时表现出色。
• 动态范围典型值为103 dB（(V{REF}=5 V)），信号 - 噪声 - 失真比（SINAD）在2 kHz时典型值为100 dB（(V{REF}=5 V)）。

3.2 时序规格

涵盖了转换脉冲宽度、转换间隔时间、CNVST低电平到BUSY高电平延迟等多个时序参数，确保在不同工作模式下的准确转换和数据读取。

3.3 绝对最大额定值

对模拟输入、电源电压、内部功耗等参数设定了绝对最大额定值，使用时需严格遵守，以保证器件的安全和可靠性。

4. 工作模式

4.1 Warp模式

该模式下可实现高达800 kSPS的转换速率，但为保证全精度，两次转换之间的时间间隔不能超过1 ms。适用于对采样速率要求极高的应用场景。

4.2 正常模式

最快转换速率为666 kSPS，对转换间隔时间无限制，适合异步应用，如数据采集系统，能同时满足高精度和快速采样的需求。

4.3 Impulse模式

这是最低功耗模式，最大吞吐量为570 kSPS。在1 kSPS时，典型功耗仅为136 μW，非常适合电池供电的应用。

5. 电路设计要点

5.1 模拟输入

采用真正的差分输入结构，能有效抑制共模信号。输入结构在交流信号采集时表现为一个1 - 极点RC滤波器，可减少混叠效应和输入噪声。但需注意输入信号不能超过绝对额定值，必要时可使用具有短路电流限制的输入缓冲器进行保护。

5.2 驱动放大器选择

驱动放大器需满足在18位水平下对电容阵列进行满量程阶跃的建立要求，同时要尽量降低噪声，以保证AD7674的信噪比和过渡噪声性能。推荐使用AD8021，它结合了超低噪声和高增益带宽，能满足建立时间要求。

5.3 电压参考

可使用内部参考缓冲器或外部电压参考。使用内部参考缓冲器适合多个ADC共享公共参考电压的情况；直接使用外部参考电压可提高信噪比和动态范围，并在关闭内部参考缓冲器时节省功耗。无论哪种方式，都需对参考电压输入进行有效去耦。

5.4 电源供应

AD7674使用三组电源引脚，模拟5V电源（AVDD）、数字5V核心电源（DVDD）和数字输出接口电源（OVDD）。为减少电源数量，数字核心可通过简单的RC滤波器从模拟电源获取供电。该器件对电源变化不敏感，且不受电源电压引起的闩锁影响。

6. 数字接口

6.1 并行接口

可配置为18位、16位或8位总线宽度，数据可在转换后或转换期间读取。读取转换期间的数据时，建议在转换阶段的前半段进行，以避免数字接口上的电压瞬变对模拟转换电路产生影响。

6.2 串行接口

当MODE0和MODE1置高时，AD7674配置为串行接口，输出18位数据，MSB优先。数据与SCLK引脚提供的18个时钟脉冲同步，输出数据在数据时钟的上升沿和下降沿均有效。

6.3 主串行接口

当EXT/INT引脚置低时，AD7674生成并提供串行数据时钟SCLK，同时生成SYNC信号指示串行数据有效。根据RDC/SDIN输入，数据可在每次转换后或后续转换期间读取。

6.4 从串行接口

当EXT/INT引脚置高时，AD7674接受外部提供的串行数据时钟。可在转换后或转换期间读取数据，推荐使用外部不连续时钟，以避免数字接口上的电压瞬变影响转换结果。该模式下还提供菊花链功能，可级联多个转换器。

7. 应用与布局

7.1 应用领域

广泛应用于CT扫描仪、高动态数据采集、地震检波器和水听器传感器、∑ - ∆替代（低功耗、多通道）、仪器仪表、频谱分析和医疗仪器等领域。

7.2 布局要点

在PCB布局时，应将模拟和数字部分分开，使用接地平面，并在一处连接数字和模拟接地平面。避免在器件下方布置数字线路，对快速切换信号如CNVST或时钟进行屏蔽，避免数字和模拟信号交叉。同时，要对电源引脚进行良好的去耦，以降低电源阻抗和减少电源尖峰。

8. 性能评估

可使用EVAL - AD7674CBZ评估板快速测量转换器的直流（直方图和时域）和交流（时域和频域）性能。评估板配有软件，需单独订购捕获板。推荐使用基于USB的EVAL - CED1Z捕获板。

总结

AD7674凭借其高分辨率、快速吞吐量、出色的精度、灵活的接口方式和低功耗设计，成为众多应用场景下的理想选择。在设计过程中，我们需要根据具体需求合理选择工作模式，注意电路设计和布局要点，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。