探索ADC101C021/ADC101C027：高性能10位ADC的技术剖析与应用指南

 

在电子设备的设计中，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的桥梁，其性能直接影响着整个系统的精度和稳定性。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）推出的两款10位ADC——ADC101C021和ADC101C027，了解它们的特性、工作原理以及在实际应用中的表现。

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产品概述

ADC101C021和ADC101C027是低功耗、单芯片的10位ADC，采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，并内置跟踪保持电路，能够处理高达11MHz的输入频率。它们具备I2C兼容的双线接口，支持标准（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）三种模式，适用于多种应用场景。

特性亮点

宽电源电压范围：支持+2.7V至+5.5V的电源电压，为不同的应用提供了灵活的电源选择。

多地址选择：VSSOP - 8封装的ADC101C021提供多达九个引脚可选的芯片地址，ADC101C027提供三个引脚可选的地址，方便在多设备系统中进行地址配置。

超限报警功能：当模拟输入超出可编程的上下限阈值时，会触发报警中断，可用于系统监控和异常检测。

自动掉电模式：在不进行转换时，自动进入低功耗模式，降低系统功耗，延长电池续航时间。

小封装设计：提供SOT - 6和VSSOP - 8两种小封装形式，节省电路板空间，适用于便携式设备。

高ESD保护：SDA和SCL引脚具备±8kV HBM ESD保护，增强了芯片的抗静电能力，提高了系统的可靠性。

关键技术指标

 

分辨率	10位，无丢失码
转换时间	典型值1µs
积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）	±0.5 LSB（最大值）
吞吐量速率	最大188.9 kSPS
功耗（22kSPS时）	3V电源：典型值0.26mW；5V电源：典型值0.78mW
工作温度范围	-40°C至+105°C
指标	详情

 

这些指标表明，ADC101C021和ADC101C027在性能上表现出色，能够满足大多数应用的需求。

工作原理与功能详解

转换操作

ADC101C021采用电荷分配数模转换器（DAC）实现模拟信号到数字信号的转换。在转换过程中，分为跟踪模式和保持模式。在跟踪模式下，采样电容连接到模拟输入通道，比较器输入被均衡；在保持模式下，采样电容连接到地，比较器失衡，控制逻辑通过电荷分配DAC调整采样电容上的电荷量，直到比较器平衡，此时DAC的数字输入即为模拟输入电压的数字表示。

模拟输入

模拟输入范围为0V至(V_{A})，输入电路中的二极管提供ESD保护，但不建议用于钳位输入信号。为了获得最佳性能，建议使用低阻抗源（小于100Ω）驱动ADC，必要时可使用缓冲放大器来限制源阻抗，并添加带通或低通滤波器以减少输入噪声。

参考电压

ADC101C021使用电源(V{A})作为参考电压，因此(V{A})必须保持稳定且无噪声。建议使用低输出阻抗的电压源为参考电压供电，以确保模数转换的精度。

内部寄存器

ADC101C021拥有8个内部数据寄存器和一个地址指针，用于存储转换结果、设置报警阈值、配置设备操作等。这些寄存器大多数是读写可操作的，只有转换结果寄存器是只读的。通过对这些寄存器的配置和读取，可以实现不同的功能，如自动转换模式、超限报警功能等。

串行接口

I2C兼容接口支持标准、快速和高速三种模式。在通信过程中，需要使用上拉电阻或电流源将SCL和SDA总线拉高。通信开始时，需要发送起始条件或重复起始条件，结束时发送停止条件。不同模式下的起始条件和通信流程略有不同，具体可参考相关文档。

报警功能

报警功能是该ADC的一个重要特性，当模拟输入超出VHIGH或VLOW寄存器中设置的阈值时，会触发报警条件。报警信息会在报警状态寄存器、转换结果寄存器的MSB（如果启用）和ALERT输出引脚（如果启用）中显示。报警条件的清除可以通过写入相应的标志位或当输入电压回到正常范围内（根据配置）来实现。

自动转换模式

自动转换模式允许ADC在无需控制器频繁发送“读取”指令的情况下，持续进行转换。通过配置配置寄存器中的周期时间位，可以设置转换间隔。在自动转换模式下，超限报警功能仍然有效，并且会在每次转换后更新。同时，VMIN和VMAX寄存器会在每次转换后进行比较和更新，方便用户监测输入信号的极值。

应用电路设计

典型应用电路

典型应用电路中，需要使用电容网络对模拟电源进行旁路，以确保(V{A})的稳定性。总线拉电阻应连接到控制器的电源，并与(V{A})保持相同的电压电位，以保证总线设备的逻辑电平兼容。对于高速模式应用，建议添加旁路电容以提高ADC的精度。拉电阻的阻值应根据具体的I2C总线特性进行选择，一般建议在高速模式下使用1kΩ电阻，标准或快速模式下使用5kΩ电阻。

缓冲输入电路

对于单端传感器接口应用，可以使用缓冲放大器对模拟输入进行缓冲。例如，使用National Semiconductor LMP7731作为非反相放大器，提供缓冲增益级。同时，建议使用LM4132作为参考源，以确保ADC的精度。

智能电池监测电路

ADC101C021可以轻松实现智能电池监测功能。通过与LP2980固定参考和电阻分压器配合使用，可以实现具有窗口监控功能的电池监测电路。当电池充电完成或电量不足时，超限报警功能会发出相应的警报，方便用户及时了解电池状态。

布局、接地和旁路设计

为了获得最佳的精度和最小的噪声，PCB设计应遵循以下原则：

分区设计：将模拟和数字区域分开，通过模拟和数字电源平面的位置来定义区域。建议使用单个实心接地平面，避免数字返回电流流过模拟接地区域。如果需要，可以使用“围栏”技术来防止模拟和数字接地电流混合。

电源旁路：在ADC101C021的电源引脚附近使用4.7µF和0.1µF的电容进行旁路，其中0.1µF电容应直接连接到设备的电源引脚。建议使用钽电容作为4.7µF电容，低ESL电容作为0.1µF电容。

信号布线：避免模拟和数字信号交叉，将时钟和数据线布置在电路板的元件侧，并控制其阻抗。

总结

ADC101C021和ADC101C027以其高性能、低功耗、小封装和丰富的功能，成为了众多应用场景的理想选择。无论是系统监控、峰值检测、便携式仪器还是医疗设备，这两款ADC都能够提供可靠的模拟 - 数字转换解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理配置寄存器、选择合适的应用电路和布局方式，以充分发挥其性能优势。同时，要注意电源稳定性、信号完整性和ESD保护等问题，确保系统的可靠性和稳定性。

你在使用这两款ADC的过程中遇到过哪些问题？或者你对它们的应用有什么独特的见解？欢迎在评论区分享你的经验和想法。