德州仪器ADS7829：高性能低功耗ADC的卓越之选

 

在电子设计领域，模拟到数字的转换（A/D）是一个关键环节，它直接影响着系统的数据采集和处理能力。德州仪器（TI）的ADS7826/27/29系列A/D转换器，以其独特的性能特点，在众多应用场景中展现出了强大的竞争力。今天，我们就来深入探讨一下这款产品。

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产品概述

ADS7826/27/29是一系列10/8/12位采样A/D转换器，在2.7V电源电压下具有可靠的性能指标。即使在全采样率下运行，它的功耗也极低。在较低的转换速率下，其高速特性使它大部分时间处于掉电模式，在7.5kHz时功耗低于60µW。该系列产品还支持2.0V至5V的工作电压，拥有同步串行接口和差分输入，参考电压可在50mV至$V_{CC}$范围内任意设置。

性能特点

高吞吐量与低功耗

在低电源电压（2.7V $V_{CC}$）下，不同型号展现出了出色的吞吐量：

• ADS7829：12位分辨率，采样率可达125KSPS。
• ADS7826：10位分辨率，采样率高达200KSPS。
• ADS7827：8位分辨率，采样率能达到250KSPS。

同时，它还具备微功耗自动掉电功能，在75kHz、2.7V $V_{CC}$条件下，功耗小于60µW，掉电电流最大仅为3µA。这种低功耗特性使得它在电池供电系统中具有显著优势，能够有效延长电池的使用寿命。

宽工作电压范围

ADS7826/27/29的工作电源电压范围非常宽，为2.7V至5.25V，在性能有所降低的情况下，甚至可以低至2.0V。这种宽电压范围的设计，使得它能够适应不同的电源环境，增加了产品的通用性和灵活性。

伪差分输入与宽参考电压

该系列产品采用了轨到轨、伪差分输入方式，参考电压范围为50mV至$V_{CC}$。这种设计使得它能够处理更广泛的输入信号，并且可以根据实际需求灵活设置参考电压，提高了系统的适应性。

小封装与SPI兼容接口

ADS7826/27/29采用了超小型芯片级封装——8引脚3x3 PDSO（SON，与QFN尺寸相同），节省了电路板空间。同时，它还具备SPI兼容串行接口，方便与微处理器和其他数字系统进行通信，简化了设计过程。

技术规格详解

模拟输入特性

• 输入范围：绝对输入+In范围为 -0.2V至$V_{CC}$ + 0.2V，-In范围为 -0.2V至1V，电容为25pF，泄漏电流为±1µA。
• 分辨率与线性度：不同型号具有不同的分辨率，如ADS7829为12位，ADS7826为10位，ADS7827为8位。同时，它们的积分线性误差和差分线性误差都控制在较小范围内，保证了转换的准确性。
• 偏移误差与增益误差：偏移误差和增益误差也在合理范围内，如ADS7829的偏移误差为 -3至3 LSB，增益误差为 -2至2 LSB。

采样动态特性

• 转换时间与采集时间：转换时间和采集时间因型号而异，例如ADS7829的转换时间为12个DCLOCK周期，采集时间为1.5个DCLOCK周期。
• 时钟频率与吞吐量：外部时钟频率有一定的限制，如ADS7829的最大外部时钟频率为2MHz。吞吐量方面，不同型号在不同电源电压下有不同的表现，如在2.7V $V_{CC}$时，ADS7829的采样率为125KSPS。

动态特性

• 总谐波失真与SINAD：总谐波失真较低，如ADS7829为 -82dB。SINAD（信号与噪声加失真比）在不同输入条件下也有较好的表现，如在$V_{IN}$ = 2.5Vpp、1kHz时，ADS7829的SINAD为72dB。
• 无杂散动态范围（SFDR）：SFDR也较为出色，如ADS7829在上述条件下为85dB。

参考输入特性

• 电压范围与电阻：参考电压范围在2.7V ≤ $V{CC}$ ≤ 3.6V时为0.05V至$V{CC}$ - 0.2V，电阻在不同条件下为5kΩ。
• 电流消耗：在不同工作状态下，参考输入的电流消耗不同，如在全速工作时，参考输入电流为12至60µA。

数字输入/输出特性

• 逻辑电平：数字输入能适应高达6V的逻辑电平，输出为CMOS电平，摆动范围为0V至$V_{CC}$。
• 串行接口：通过同步3线串行接口与外部设备通信，数据传输由DCLOCK信号同步，每个位在DCLOCK的下降沿传输。

工作原理剖析

ADS7826/27/29采用了经典的逐次逼近寄存器（SAR）架构，基于电容重新分配原理，本身包含采样/保持功能。它采用0.6µm CMOS工艺制造，这种架构和工艺使得它能够在低功耗的情况下，以高达200K/250K/125K次每秒的速度采集和转换模拟信号。

该系列产品需要外部参考电压、外部时钟和单一电源（$V{CC}$）。外部参考电压可以在50mV至$V{CC}$之间任意设置，其值直接决定了模拟输入的范围。参考输入电流取决于转换速率。

外部时钟输入到DCLOCK的最小频率可以低至10kHz，不同型号的最大外部时钟频率有所不同。时钟的占空比只要满足最小高电平和低电平时间至少为400ns（$V_{CC}$ = 2.7V或更高）即可。最小DCLOCK频率由内部电容器的泄漏决定。

模拟输入通过+In和 -In两个引脚提供，转换开始时，这两个引脚的差分输入信号被采样到内部电容阵列上。转换过程中，两个输入与内部功能断开连接。

转换的数字结果通过DCLOCK输入时钟输出，并以串行方式在Dout引脚提供，数据以最高有效位优先的顺序传输，且没有流水线延迟。

应用场景分析

电池供电系统

由于其低功耗特性，ADS7826/27/29非常适合用于电池供电系统，如便携式设备、无线传感器节点等。在这些应用中，低功耗可以延长电池的使用时间，减少更换电池的频率。

远程数据采集

在远程数据采集系统中，需要设备能够在低功耗的情况下长时间稳定工作。ADS7826/27/29的高性能和低功耗特点使其能够满足这一需求，准确采集和传输数据。

隔离数据采集

在一些对数据采集有隔离要求的场景中，如工业自动化、电力系统监测等，ADS7826/27/29的差分输入和高抗干扰能力可以保证数据的准确性和可靠性。

同时采样多通道系统

对于需要同时采样多个通道的系统，如多传感器数据采集系统，ADS7826/27/29的高速采样率和同步串行接口可以实现高效的数据采集和处理。

设计注意事项

布局设计

为了获得最佳性能，在设计ADS7826/27/29的电路布局时需要格外注意。特别是在参考电压较低和/或转换速率较高的情况下，要确保电源、参考和接地连接的稳定性。

• 电源旁路：使用0.1µF陶瓷旁路电容尽可能靠近芯片封装，同时可以使用1 - 10µF电容和5 - 10Ω串联电阻对电源进行低通滤波，以减少电源噪声的影响。
• 参考电压处理：参考电压也需要进行旁路处理，使用0.1µF电容。如果参考电压来自运算放大器，要确保其能够驱动旁路电容而不产生振荡。
• 接地设计：GND引脚应连接到干净的接地点，通常是模拟地。避免将其靠近微处理器、微控制器或数字信号处理器的接地点。如有必要，可以直接从转换器引出接地走线连接到电源连接点。理想的布局应包括一个模拟接地平面。

功耗优化

为了实现最低功耗，需要注意以下几点：

• 选择合适的转换速率：根据系统需求，选择最低的转换速率，因为功耗与转换速率成正比。
• 合理使用掉电模式：在转换完成后，让转换器尽快进入掉电模式。当CS为高电平时，转换器进入完全掉电模式，此时数字部分也会完全关闭，功耗更低。

信号完整性

在数字接口方面，要注意信号的完整性。由于数字输入能适应高达6V的逻辑电平，输出为CMOS电平，当输出连接到不同电压的逻辑输入时，可能会影响IC的供电电流和传播延迟。因此，在设计时需要考虑这些因素，确保信号的稳定传输。

总结

德州仪器的ADS7826/27/29系列A/D转换器以其高吞吐量、低功耗、宽工作电压范围、小封装和SPI兼容接口等优点，在众多应用场景中具有广泛的应用前景。在实际设计过程中，我们需要充分了解其技术规格和工作原理，注意布局设计、功耗优化和信号完整性等方面的问题，以充分发挥其性能优势，为电子系统的设计提供可靠的保障。你在使用类似的A/D转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。