深入解析ADC104S021/ADC104S021Q：高性能10位A/D转换器

 

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。德州仪器（TI）的ADC104S021/ADC104S021Q 4通道、50 ksps到200 ksps、10位A/D转换器，凭借其出色的性能和灵活的特性，在众多应用场景中得到了广泛应用。今天，我们就来深入剖析这款转换器，为电子工程师们在设计中提供全面的参考。

文件下载：adc104s021.pdf

一、产品概述

ADC104S021/ADC104S021Q是一款低功耗、四通道CMOS 10位A/D转换器，具有高速串行接口。与传统仅在单一采样率下规定性能的做法不同，它在50 ksps至200 ksps的采样率范围内都有完整的性能规格。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，可配置为接受多达四个输入信号。其中，ADC104S021Q符合AEC - Q100 Grade 3标准，适用于汽车应用。

特性亮点

1. 多通道设计：四个输入通道，可同时处理多个模拟信号，满足复杂系统的需求。
2. 可变采样率：支持50 ksps至200 ksps的采样率范围，适应不同的应用场景。
3. 低功耗：单电源供电（2.7V - 5.25V），正常功耗低，如3V供电时为1.94 mW，5V供电时为6.9 mW；掉电模式下功耗更低，3V供电时仅0.12 µW，5V供电时为0.47 µW。
4. 高速串行接口：输出串行数据为直二进制格式，兼容SPI™、QSPI™、MICROWIRE和许多常见的DSP串行接口，方便与其他数字设备连接。

二、关键规格参数

静态特性

• 分辨率：10位，无丢失码，确保了高精度的转换。
• 积分非线性（INL）：典型值为±0.13 LSB，最大值为±0.3 LSB，保证了转换结果的线性度。
• 差分非线性（DNL）：典型值为±0.13 LSB，最大值为±0.4 LSB，体现了每个量化台阶的一致性。

动态特性

• 信噪失真比（SINAD）：在VA = +2.7至5.25V、fIN = 39.9 kHz、−0.02 dBFS条件下，典型值为61.8 dB，最小值为61 dB，反映了转换器在处理信号时的抗噪声和失真能力。
• 信噪比（SNR）：典型值为61.8 dB，最小值为61.3 dB，衡量了信号与噪声的比例。
• 总谐波失真（THD）：在相同条件下，最大值为−86 dB，体现了对谐波的抑制能力。

电源特性

• 供电电压范围：VA为2.7V - 5.25V，适应不同的电源环境。
• 正常模式电流：在不同供电电压和采样率下有明确的规格，如VA = +5.25V、fSAMPLE = 200 ksps、fin = 40 kHz时，最大电流为1.8 mA。
• 掉电模式电流：非常低，如VA = +5.25V、fsAMPLE = 0 ksps时为90 nA。

三、引脚描述与等效电路

模拟输入引脚（IN1 - IN4）

引脚4 - 7为模拟输入引脚，信号范围从0V到VA。在实际应用中，要注意输入信号的幅度不能超过这个范围，否则可能导致转换结果不准确或损坏转换器。

数字输入输出引脚

• SCLK（引脚10）：数字时钟输入，直接控制转换和读出过程。时钟频率范围为0.8 MHz至3.2 MHz，在设计时钟电路时要确保频率在这个范围内。
• DOUT（引脚9）：数字数据输出，输出样本在SCLK引脚的下降沿从该引脚时钟输出。
• DIN（引脚8）：数字数据输入，ADC的控制寄存器在SCLK引脚的上升沿通过该引脚加载数据。
• CS（引脚1）：芯片选择信号，在其下降沿开始转换过程，只要CS保持低电平，转换就会继续。

电源引脚

• VA（引脚2）：正电源引脚，应连接到稳定的+2.7V至+5.25V电源，并通过一个1 uF电容和一个0.1 uF单片电容旁路到GND，电容应靠近电源引脚放置，以减少电源噪声。
• GND（引脚3）：电源和信号的接地返回端。

四、工作原理与操作

工作模式

ADC104S021/ADC104S021Q有跟踪（Track）和保持（Hold）两种模式。在CS信号下降后的前三个SCLK周期，转换器处于跟踪模式，采样电容通过多路复用器连接到模拟输入通道，同时平衡比较器输入；在接下来的第四到第十六个SCLK周期，进入保持模式，采样电容连接到地，保持采样电压，控制逻辑指示电荷再分配DAC向采样电容添加固定电荷，直到比较器平衡，此时DAC的数字字即为模拟输入电压的数字表示。

串行帧操作

CS信号的低电平时间被视为一个串行帧，每个帧应包含整数倍的16个SCLK周期。在一个帧内，完成一次转换并将结果从DOUT引脚时钟输出，同时在DIN引脚时钟输入数据，指示下一次转换的多路复用器地址。

输入通道选择

通过控制寄存器的ADD2、ADD1、ADD0三位来选择输入通道，具体映射关系如下：	ADD2	ADD1	ADD0	输入通道
X	0	0	IN1(默认)
X	0	1	IN2
X	1	0	IN3
X	1	1	IN4

五、应用电路设计

典型应用电路

一个典型的应用电路中，可使用德州仪器的LP2950低 dropout 电压调节器为ADC供电，电源引脚通过电容网络旁路，以减少电源噪声。由于ADC的参考电压为电源电压，电源噪声会影响其性能，因此建议使用专用的线性稳压器或提供足够的去耦措施。同时，将四 - 线接口连接到微处理器或DSP，实现数据的传输和处理。

模拟输入设计

模拟输入通道的等效电路中，包含ESD保护二极管、电容和电阻。要注意输入信号不能超过(VA + 300 mV)或(GND - 300 mV)，否则ESD二极管会导通，可能导致不稳定的操作。为了获得最佳性能，应使用低阻抗源驱动ADC，以消除采样电容充电引起的失真，特别是在采样交流信号时。此外，可使用带通或低通滤波器减少谐波和噪声，提高动态性能。

数字输入输出设计

数字输出DOUT受电源电压VA限制，不能超过该值。数字输入引脚一般不会发生闩锁，虽然不建议，但SCLK、CS和DIN可以在VA之前被置位，而不会有闩锁风险。

电源管理设计

ADC在CS为低电平时完全上电，CS为高电平时完全掉电，但在一次转换的第16个下降沿到下一次转换的第1个下降沿之间会自动进入掉电模式。用户可以通过减少单位时间内的转换次数来平衡吞吐量和功耗。例如，在不需要高采样率时，适当降低转换频率，可有效降低功耗。

电源噪声考虑

输出负载电容的充电和放电会导致电源电压波动和“地弹”噪声，影响ADC的SNR和SINAD性能。因此，应尽量减小输出负载电容，如果负载电容大于50 pF，可在ADC输出端使用一个100 Ω的串联电阻，以限制充电和放电电流，提高噪声性能。

六、典型性能特性

文档中给出了大量的典型性能特性曲线，如DNL、SINAD、SNR等随采样率、输入频率等参数的变化曲线。这些曲线可以帮助工程师在不同的应用场景下，预测ADC的性能表现，从而做出合理的设计决策。例如，在设计一个对噪声要求较高的系统时，可以参考SNR曲线，选择合适的采样率和输入频率，以获得最佳的信噪比。

七、总结

ADC104S021/ADC104S021Q以其多通道、可变采样率、低功耗和高速串行接口等优点，成为电子工程师在设计数据采集、仪器仪表、汽车电子等领域的理想选择。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求，合理设计电路，注意引脚连接、电源管理、输入输出信号处理等方面的问题，以充分发挥该转换器的性能优势。同时，参考典型性能特性曲线，可以进一步优化设计，提高系统的整体性能。希望本文能为电子工程师们在使用ADC104S021/ADC104S021Q时提供有价值的参考。你在使用这款ADC的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。