深入解析ADCS7476 A/D转换器：特性、应用与设计要点

 

在电子设计领域，A/D转换器是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（TI）的ADCS747x系列A/D转换器，包括ADCS7476、ADCS7477和ADCS7478这三款产品，看看它们有哪些独特的特性、适用于哪些应用场景，以及在设计过程中需要注意哪些要点。

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一、ADCS747x系列产品概述

ADCS747x系列是低功耗、单片CMOS的12位、10位和8位模拟 - 数字转换器，转换速率可达1 MSPS。它们可以作为Analog Device's AD747x的直接替代品，基于逐次逼近寄存器（SAR）架构，并带有内部采样保持电路。该系列产品采用6引脚SOT - 23封装，尺寸非常小，适合对空间要求苛刻的应用。

二、特性亮点

2.1 可变电源管理

• 电源作为参考：ADCS747x使用电源电压作为参考，可实现0至$V_{DD}$的满量程输入范围。这一特性简化了设计，减少了外部参考电路的使用。
• 宽电源电压范围：支持2.7 V至5.25 V的单电源供电，具有良好的兼容性。不同电源电压下的功耗表现也有所不同，例如在3 V电源下典型功耗为2 mW，在5 V电源下典型功耗为10 mW。
• 关机模式：提供关机模式，可在吞吐量和功耗之间进行权衡。通过芯片选择（CS）引脚启用的掉电功能，在5 V电源下可将功耗降低至5 μW以下。

2.2 高性能指标

• 分辨率与线性度：具有无丢失码的分辨率（12位、10位和8位），差分非线性（DNL）典型值为0.5、 - 0.3 LSB，积分非线性（INL）典型值为±0.4 LSB，保证了转换的准确性。
• 转换速率：高达1 MSPS的转换速率，能够满足大多数高速数据采集应用的需求。

2.3 兼容多种接口

串行接口兼容SPI™、QSPI™、MICROWIRE™和许多常见的DSP串行接口，方便与各种微处理器和数字信号处理器进行连接。

三、应用场景

ADCS747x系列产品具有广泛的应用场景，以下是一些典型的应用领域：

3.1 汽车导航

在汽车导航系统中，需要对各种传感器信号进行精确采集和处理。ADCS747x的高速转换速率和高精度能够满足汽车导航系统对实时性和准确性的要求。

3.2 工业自动化与ATM设备

在工业自动化和ATM设备中，常常需要对模拟信号进行数字化处理。ADCS747x的低功耗和宽电源电压范围使其能够适应工业环境的复杂要求。

3.3 便携式系统

对于便携式设备，如智能手机、平板电脑等，功耗是一个关键因素。ADCS747x的低功耗特性和小封装尺寸非常适合便携式系统的设计。

3.4 医疗仪器

医疗仪器对数据采集的准确性和可靠性要求极高。ADCS747x的高精度和良好的线性度能够满足医疗仪器的严格要求。

3.5 移动通信

在移动通信领域，需要对射频信号进行采样和处理。ADCS747x的高速转换速率和低功耗特性使其成为移动通信设备的理想选择。

3.6 仪器仪表与控制系统

在仪器仪表和控制系统中，需要对各种模拟信号进行精确测量和控制。ADCS747x的高性能指标能够满足这些应用的需求。

四、详细规格参数

4.1 绝对最大额定值

• 电源电压范围为 - 0.3 V至6.5 V。
• 任何模拟引脚到地的电压范围为 - 0.3 V至$V_{DD}$ + 0.3 V。
• 任何数字引脚到地的电压范围为 - 0.3 V至6.5 V。
• 任何引脚（除电源引脚外）的输入电流最大为±10 mA。

4.2 ESD额定值

人体模型（HBM）为 + 3500 V，带电设备模型（CDM）为 + 200 V，具有一定的静电防护能力。

4.3 推荐工作条件

• 电源电压范围为2.7 V至5.25 V。
• 数字输入引脚电压独立于电源电压，范围为2.7 V至5.25 V。
• 工作温度范围为 - 40°C至125°C。

4.4 热信息

以SOT - 23封装为例，结到环境的热阻（$R{JA}$）为184.5°C/W，结到外壳（顶部）的热阻（$R{θJC(top)}$）为151.2°C/W，结到电路板的热阻（$R_{θJB}$）为29.7°C/W。

五、设计要点

5.1 电源设计

• 电源噪声：由于ADCS747x使用电源电压作为参考，电源噪声对转换性能有重要影响。任何幅度大于1/2 LSB的噪声都会影响转换器的噪声性能，因此电源应具有良好的稳定性和低噪声特性。建议使用独立的电源为ADC供电，避免与数字组件共用电源。
• 数字输出对噪声的影响：数字输出负载电容的充放电会导致电源线上的电压变化，从而影响ADC的性能。为了减少数字噪声对电源的影响，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。
• 电源管理：用户可以通过在转换之间将ADCS747x置于关机模式来降低功耗，但这种方法在吞吐量超过350 kSPS时优势不明显。

5.2 布局设计

• 模拟与数字电路分离：为了避免数字电路的噪声干扰模拟电路，应将模拟和数字电路分开布局。时钟线应尽量短，并与其他线路隔离。
• 避免线路交叉：模拟和数字线路应尽量避免交叉，如需交叉应保持90°夹角。在高分辨率系统中，应尽量避免模拟和数字线路的交叉。
• 接地设计：建议使用单一、均匀的接地平面和分割电源平面。所有模拟电路应放置在模拟电源平面上，所有数字电路和I/O线应放置在数字电源平面上。

5.3 接口设计

• 串行接口时序：ADCS747x的串行接口时序需要严格遵循数据手册的要求。CS引脚用于启动转换和帧定界串行数据传输，SCLK控制转换过程和串行数据的时序，SDATA为串行数据输出引脚。
• 数据读取：读取一个完整的样本需要16个SCLK周期，样本位在SCLK的下降沿输出。不同型号的ADCS747x在数据输出格式上可能有所不同，需要注意。

六、典型应用示例

以ADCS747x与LMT87温度传感器的低功耗应用为例，介绍一下具体的设计过程。

6.1 设计要求

• $V{IN}$范围必须为0 V至$V{DD}$，其中$V_{DD}$范围为2.7 V至5.25 V。
• 确保电源电压在退出关机模式并开始转换之前稳定到最终水平。
• 保证电源噪声幅度小于1/2 LSB。

6.2 详细设计步骤

1. 电源设计：使用TI的LP2950低压差电压调节器为ADCS747x和LMT87提供电源，并在靠近设备的位置使用电容网络进行旁路。
2. 信号连接：将LMT87的输出连接到ADCS747x的模拟输入引脚$V_{IN}$，将ADCS747x的串行接口（SCLK、$\overline{CS}$和SDATA）连接到微处理器或DSP。
3. 转换启动：在电源电压稳定后，将$\overline{CS}$引脚拉低以启动转换。等待一个完整的转换周期（约1 μs）后，读取ADCS747x的数字输出，并将其与LMT87的输出电平进行关联，以获得准确的温度读数。

七、总结

ADCS747x系列A/D转换器以其高性能、低功耗、小封装和广泛的接口兼容性，成为了许多应用领域的理想选择。在设计过程中，我们需要充分考虑电源设计、布局设计和接口设计等方面的要点，以确保系统的性能和稳定性。希望通过本文的介绍，能够帮助电子工程师更好地了解和应用ADCS747x系列产品。

大家在使用ADCS747x系列产品的过程中，有没有遇到过什么问题或者有什么独特的设计经验呢？欢迎在评论区分享交流。