深入剖析ADC122S021：一款高性能12位A/D转换器

 

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个至关重要的环节，它直接影响着系统对模拟信号的处理和分析能力。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）推出的ADC122S021，这是一款低功耗、双通道的12位CMOS模拟到数字转换器，具有高速串行接口，在多个领域都有广泛的应用前景。

文件下载：adc122s021.pdf

一、产品概述

ADC122S021的独特之处在于，它不像传统的转换器那样仅在单一采样率下规定性能，而是在50 ksps到200 ksps的采样率范围内都有完整的性能指标。这使得它在不同的应用场景中都能保持稳定和高效的工作状态。该转换器基于逐次逼近寄存器（SAR）架构，并内置了跟踪保持电路，能够灵活地配置为接受一个或两个输入信号，输入范围为0V到VA。其输出的串行数据为直二进制格式，与SPI™、QSPI™、MICROWIRE以及许多常见的DSP串行接口兼容，方便与其他设备进行连接和通信。

二、关键特性与优势

（一）多方面特性

1. 宽采样率范围：在50 ksps到200 ksps的采样率范围内都能保证稳定的性能，满足不同应用对采样速度的要求。
2. 双输入通道：可以同时处理两个模拟输入信号，增加了系统的灵活性和数据采集能力。
3. 可变电源管理：支持2.7V - 5.25V的单电源供电，并且具有低功耗特性。正常工作时，使用+3V或+5V电源的功耗分别为2.2 mW和7.9 mW；进入掉电模式后，使用+3V和+5V电源的功耗可分别降低至0.14 µW和0.32 µW，大大延长了电池供电设备的续航时间。
4. 高精度性能：典型的DNL为+0.4 / -0.2 LSB，INL为± 0.35 LSB，SNR达到72.0 dB，能够提供高精度的模拟到数字转换结果，减少信号失真和误差。

（二）与其他产品对比优势

通过与不同分辨率和速度的同类产品对比，我们可以更清晰地看到ADC122S021的优势。在50 - 200 ksps的采样率范围内，12位的ADC122S021在精度和性能上具有明显的优势，能够满足对数据精度要求较高的应用场景。

分辨率	50 - 200 ksps	200 - 500 ksps	500 ksps - 1 Msps
12 - bit	ADC122S021	ADC122S051	ADC122S101
10 - bit	ADC102S021	ADC102S051	ADC102S101
8 - bit	ADC082S021	ADC082S051	ADC082S101

三、引脚说明与电气特性

（一）引脚功能

ADC122S021采用8引脚VSSSOP封装，各引脚功能如下：	引脚编号	符号	描述
5, 4	IN1和IN2	模拟输入引脚，信号范围为0V到VA
8	SCLK	数字时钟输入，直接控制转换和读出过程
7	DOUT	数字数据输出，在SCLK引脚的下降沿将输出样本时钟输出
6	DIN	数字数据输入，在SCLK引脚的上升沿将数据加载到ADC122S021的控制寄存器中
1	CS	芯片选择，CS的下降沿启动转换过程，只要CS保持低电平，转换就会持续进行
2	VA	正电源引脚，应连接到稳定的+2.7V到+5.25V电源，并通过1 µF电容和0.1 µF单片电容旁路到GND，电容应靠近电源引脚放置
3	GND	芯片的接地引脚

（二）电气特性

在电气特性方面，ADC122S021在不同的工作条件下都有明确的性能指标。例如，在静态特性方面，分辨率为12位且无丢失码，INL典型值为±0.35 LSB，DNL典型值为+0.4 / -0.2 LSB；在动态特性方面，SINAD典型值为72 dB，SNR典型值为72 dB，THD典型值为 - 84 dB等。这些特性保证了转换器在不同的应用场景中都能提供准确和可靠的转换结果。

四、工作原理与操作模式

（一）工作原理

ADC122S021的工作原理基于逐次逼近寄存器架构。在跟踪模式下，开关SW1将采样电容连接到两个模拟输入通道之一，SW2平衡比较器输入；在保持模式下，SW1将采样电容连接到地，保持采样电压，SW2使比较器失衡。控制逻辑会指示电荷再分配DAC向采样电容添加固定量的电荷，直到比较器平衡，此时提供给DAC的数字字就是模拟输入电压的数字表示。

（二）操作模式

一个串行帧是指CS为低电平的时间段，每个帧应包含16个SCLK周期的整数倍。在每个帧内，首先是3个SCLK周期的跟踪模式，用于采集输入电压；然后是13个SCLK周期的转换和数据输出过程，数据以MSB优先的方式从DOUT引脚输出。同时，在每个转换过程中，需要在CS下降沿后的前8个SCLK上升沿将数据时钟输入到DIN引脚，以指示下一次转换的多路复用器地址。

五、典型应用与电路设计

（一）典型应用场景

ADC122S021适用于多种应用场景，如便携式系统、远程数据采集、仪器仪表和控制系统等。在便携式系统中，其低功耗特性可以延长电池的使用时间；在远程数据采集和仪器仪表控制系统中，高精度的转换性能可以保证数据的准确性和可靠性。

（二）电路设计要点

在设计典型应用电路时，需要注意以下几点：

1. 电源供应：建议使用专用的线性稳压器为ADC122S021供电，如德州仪器的LP2950低 dropout电压调节器，以减少电源噪声对转换器性能的影响。同时，电源引脚应通过电容网络进行旁路，电容应靠近芯片放置。
2. 模拟输入：为了获得最佳性能，模拟输入应使用低阻抗源驱动，以消除采样电容充电引起的失真。对于动态信号采样，还应使用带通或低通滤波器来减少谐波和噪声，提高动态性能。
3. 数字接口：数字输出DOUT的电压不能超过电源电压VA，数字输入引脚不易发生闩锁效应，但建议在VA稳定后再对SCLK、CS和DIN进行操作。

六、性能影响因素与优化建议

（一）性能影响因素

ADC122S021的性能受到多种因素的影响，包括电源电压、时钟频率、时钟占空比、温度等。例如，电源电压的波动会影响转换器的分辨率和噪声性能；时钟频率和占空比的变化会影响转换速度和数据输出的稳定性；温度的变化会导致器件参数的漂移，从而影响转换精度。

（二）优化建议

为了优化ADC122S021的性能，可以采取以下措施：

1. 电源管理：保持电源电压的稳定，使用低噪声的电源，并通过电容进行旁路，减少电源噪声的影响。
2. 时钟设置：选择合适的时钟频率和占空比，确保在满足转换速度要求的同时，保证数据输出的稳定性。
3. 温度补偿：在温度变化较大的环境中，可以采用温度补偿电路或算法来减少温度对器件性能的影响。

七、总结与展望

ADC122S021作为一款高性能的12位A/D转换器，具有宽采样率范围、双输入通道、可变电源管理和高精度性能等优点，适用于多种应用场景。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择工作参数，优化电路设计，以充分发挥其性能优势。随着电子技术的不断发展，我们期待类似的高性能转换器能够不断涌现，为电子系统的设计和应用带来更多的可能性。各位工程师在使用ADC122S021的过程中，是否也遇到过一些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。