ADS7866/67/68 模数转换器产品介绍

 

在电子设计领域，模拟到数字转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们来深入探讨Texas Instruments的ADS7866、ADS7867和ADS7868这三款低功耗、高速的逐次逼近寄存器（SAR）ADC，看看它们在设计中能为我们带来哪些优势。

文件下载：ads7866.pdf

1. 产品概述

ADS7866/67/68系列是一组低电压、低功耗、高速的SAR ADC。它们可以在1.2V至3.6V的电源范围内工作，无需外部参考电压，参考电压直接从电源内部获取，因此模拟输入范围为0V至$V_{DD}$。这三款ADC采用电荷再分配架构，本身就包含采样/保持功能。

产品特性

• 高吞吐量：在不同的电源电压和分辨率下，能实现不同的采样速率。例如，当$V{DD} ≥1.6 V$时，12位的ADS7866可达200KSPS；当$V{DD} ≥1.2 V$时，也能保持100KSPS的吞吐量。
• 高精度：以ADS7866为例，其积分线性误差（INL）为±1.5LSB，在$f_{IN }=30 kHz$时，信噪比（SNR）可达71dB，总谐波失真（THD）为 -83dB。
• 低功耗：在不同的工作模式和电源电压下，功耗表现出色。如在200KSPS、$V{DD}=3.6 V$时，典型功耗为1.39mW；在200KSPS、$V{DD}=1.6 V$时，典型功耗为0.39mW；在100KSPS、$V_{DD}=1.2 V$时，典型功耗为0.22mW。此外，还有自动掉电模式，典型电流仅为8nA。
• 同步转换与SPI接口：支持SPI兼容的串行接口，无流水线延迟，方便与微处理器或DSP进行通信。
• 单极性输入范围：输入范围为0V至$V_{DD}$，适用于多种应用场景。
• 小型封装：采用6引脚SOT - 23封装，节省电路板空间。

应用场景

这些特性使得ADS7866/67/68非常适合以下应用：

• 电池供电系统：低功耗特性可延长电池续航时间。
• 隔离数据采集：满足数据采集的高精度和稳定性要求。
• 医疗仪器：对精度和功耗有较高要求的医疗设备。
• 便携式通信和数据采集系统：小型封装和低功耗满足便携性需求。
• 自动测试设备：高吞吐量和高精度可提高测试效率和准确性。

2. 技术规格详解

分辨率与线性度

三款ADC分别提供12位（ADS7866）、10位（ADS7867）和8位（ADS7868）的分辨率，且都保证无丢失码。以ADS7866为例，其积分线性误差（INL）为±1.5LSB，差分线性误差（DNL）在 -1至1.5LSB之间，能有效保证转换的精度。

采样动态特性

• 转换时间：由SCLK频率决定，ADS7866为13个SCLK周期，ADS7867为11个SCLK周期，ADS7868为9个SCLK周期。
• 采集时间：例如在$f{SCLK} = 3.4 MHz$、$1.6V≤V{DD} ≤3.6V$时，三款ADC的采集时间均为0.64μs。
• 吞吐量：在合适的条件下，ADS7866可达200KSPS，ADS7867可达240KSPS，ADS7868可达280KSPS。
• 孔径延迟和抖动：孔径延迟为10ns，孔径抖动为40ps，保证了采样的准确性。

动态特性

在不同的输入频率和电源电压下，三款ADC的信号噪声和失真比（SINAD）、信噪比（SNR）、总谐波失真（THD）和无杂散动态范围（SFDR）表现良好。以ADS7866为例，在$f{IN}= 30 kHz$、$1.6V≤V{DD} ≤3.6V$时，SINAD可达70dB，SNR可达71dB，THD可达 -83dB。

电源要求

电源电压范围为1.2V至3.6V，不同的采样速率和电源电压下，电源电流不同。例如，在$f{SAMPLE}= 200 KSPS$、$f{SCLK}=3.4 MHz$、$V_{DD}=3.6V$时，ADS7866的电源电流典型值为385μA。

3. 工作原理

转换周期启动

转换周期通过将CS引脚拉低并提供串行时钟SCLK来启动。CS下降沿到CS下降后第三个SCLK下降沿之间的时间用于采集输入信号，该时间必须大于或等于所需分辨率和电源电压指定的最小采集时间。在CS下降后第三个SCLK下降沿，设备进入保持模式，开始对采样的输入信号进行数字化处理。

采集时间、转换时间和总周期时间

• SCLK频率：由特定分辨率和电源电压指定的最小采集时间决定。
• 转换时间：与SCLK频率相关，ADS7866为13倍的SCLK周期时间$t_{C(SCLK)}$，ADS7867为11倍，ADS7868为9倍。
• 采集时间：即上电时间，为CS下降后第一个SCLK下降沿的建立时间（$t{SU(CSF - FSCLKF)}$）加上2倍的$t{C(SCLK)}$。
• 总周期时间：可根据$t{DIS(EOC - SDOZ)}$和$t{SU(LSBZ - CSF)}$与$0.5 × t_{C(SCLK)}$的大小关系进行计算。

4. 典型连接与设计注意事项

典型连接

典型连接电路中，可使用REF3112为设备提供1.2V电源，并在转换器的$REF/V_{DD}$和GND引脚之间连接一个0.1μF的去耦电容，且该电容应尽可能靠近设备引脚。

模拟输入

模拟输入在VIN和GND引脚之间，输入范围为0V至$V{DD}$。输入电流受采样率、输入电压和输入源阻抗等因素影响，输入源必须能够在指定的最小采集时间内为输入电容$C{S}$（典型值为12pF）充电。为保持转换器的线性度，应注意输入电压范围，并可使用低带宽输入信号和低通滤波器来减少输入源引入的噪声。

数字接口

通过高速SPI兼容的串行接口与微处理器或DSP通信，$CPOL = 1$，$CPHA = 1$。采样、转换和SDO激活在CS下降沿启动，SCLK用于控制转换速率并实现与数字主机处理器的同步。数字输入CS和SCLK可超过电源电压$V{DD}$，只要不超过最大$V{IH}$的3.6V，无需外部电平转换电路。

转换结果

ADS7866/67/68分别在4个前导零后输出12/10/8位数据，采用直二进制格式。

功耗管理

• 自动掉电模式：每次转换结束后自动进入掉电模式，典型电流为8nA，可有效降低功耗。
• 功率节省策略：使用较高的SCLK频率可减少采集时间和转换时间，使转换器在每个转换周期中更多时间处于自动掉电模式。对于特定的SCLK频率，较低的吞吐量会增加转换器处于掉电状态的时间比例。

5. 封装与订购信息

ADS7866/67/68采用6引脚SOT - 23封装，有不同的订购选项，如小卷带（250个）和大卷带（3000个），并符合RoHS标准。

总结

Texas Instruments的ADS7866/67/68系列ADC以其低功耗、高吞吐量、高精度和小型封装等优势，为电子工程师在设计电池供电系统、数据采集设备等应用时提供了一个优秀的选择。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择分辨率、采样速率和电源电压，并注意模拟输入、数字接口和功耗管理等方面的设计要点，以充分发挥这些ADC的性能。你在使用这类ADC时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。