AD4697/AD4698：高性能 16 位 SAR ADC 的深度解析

在电子工程师的日常工作中，模拟 - 数字转换器（ADC）扮演着至关重要的角色。今天我们要深入探讨的 AD4697/AD4698，是一款集高性能、低功耗和高集成度于一身的 16 位、8 通道、500 kSPS/1 MSPS 多路复用采样 SAR ADC，具有 “Easy Drive” 特性和丰富的数字功能，非常适合空间受限、多通道的精密数据采集系统与监测电路。

文件下载：AD4697.pdf

AD4697/AD4698 的特性亮点

轻松驱动，简化设计

• 降低驱动要求：“Easy Drive” 特性显著降低了对模拟输入和参考驱动的要求。模拟输入高阻抗（High - Z）模式和参考输入高阻抗模式的应用，简化了系统设计，减少了组件数量，提高了通道密度，同时还可去除对专用高速 ADC 驱动器和参考缓冲器的需求。
• 内置参考缓冲器：WLCSP 封装选项中包含一个片上参考缓冲器，能提供真正的缓冲参考输入，增强了系统的稳定性。
• 过压保护：每个模拟输入都具备高达 5 mA 的过压保护功能。当输入电压超过保护阈值时，过压保护电路会迅速启动，将电压限制在安全范围内，避免芯片因过压而损坏。
• 长采集阶段：在 1 MSPS 采样率下，采集阶段占周期时间的比例 ≥71.5%（715 ns/1000 ns），能更充分地采集输入信号，保证转换精度。

卓越性能，稳定可靠

• 采样率可选：AD4697 采样率为 500 kSPS，AD4698 采样率为 1 MSPS，可根据不同应用需求灵活选择。
• 高精度转换：积分非线性误差（INL）最大为 ±1 LSB，保证 16 位无失码转换，确保了转换结果的准确性。典型的信纳比（SINAD）在输入频率为 1 kHz 时达到 93 dB，过采样动态范围在过采样比（OSR）为 64 时可达 111.2 dB。
• 多种输出模式：支持单 SDO、双 SDO 和四 SDO 模式，可根据实际需求选择合适的输出方式，提高数据传输效率。

小封装，高密度

提供 24 引脚、4.00 mm × 4.00 mm LFCSP 和 36 引脚、2.960 mm × 2.960 mm WLCSP 两种封装形式，满足不同空间需求，适合对尺寸要求严格的应用场景。

增强数字功能，灵活高效

• 快速首转换：首次转换精确，无延迟或流水线延迟，能迅速响应输入信号的变化，适用于对实时性要求较高的应用。
• 低时钟速率：快速的转换时间和双/四 SDO 模式允许使用较低的 SPI 时钟速率，降低了系统的时钟频率要求，减少了功耗和电磁干扰。
• 可定制通道序列器：用户可以根据实际需求定制通道序列，实现对不同通道的灵活采样，提高了系统的灵活性和适应性。
• 片上过采样与抽取：支持对每个模拟输入通道进行过采样和抽取操作，可降低系统的有效高斯噪声，提高分辨率和动态范围。
• 阈值检测报警：能为每个模拟输入设置可编程的阈值检测功能，当输入信号超出设定阈值时，会发出报警信号，方便用户及时发现异常情况。
• 偏移和增益校正：具备对每个模拟输入的一阶偏移和增益校正功能，可以对系统中的一阶非理想性进行校正，保证转换结果的准确性。
• 自主转换模式：支持自主转换（自动循环）模式，可根据预设的参数自动进行转换操作，减少了对外部控制信号的依赖，提高了系统的自主性和稳定性。

低功耗，宽温范围

• 功耗低：在 1 MSPS 采样率下功耗为 8 mW，500 kSPS 采样率下功耗为 4 mW；内部 LDO 禁用时，待机功耗仅为 4 μW。
• 温度适应性强：工作温度范围为 - 40°C 至 +125°C，能在各种恶劣环境下稳定工作。

工作原理剖析

转换器操作

AD4697/AD4698 采用基于 SAR 的 ADC 核心，利用电荷再分配数模转换器（DAC）将输入电压量化为输出代码。转换过程分为采集阶段和转换阶段。在采集阶段，电容阵列获取由内部多路复用器选择的模拟输入通道上的电压；转换阶段，ADC 核心对输入电压进行采样并生成相应的输出代码结果。

模拟输入设计

模拟输入（IN0 至 IN7 和 COM）通过内部低串扰多路复用器路由到 ADC 核心输入。模拟输入的阻抗可建模为引脚电容 ((C{PIN})) 与由 (R{IN}) 和 (C_{DAC}) 串联组成的网络的并联组合。每个模拟输入都有独立的过压保护钳位电路，能有效保护芯片免受直流过压条件的影响。

通道配置选项

器件提供多种通道配置选项，包括引脚配对分配和信号极性模式。引脚配对选项有 IN0 至 IN7 与 REFGND 配对、与 COM 配对以及偶数编号输入与下一个最高奇数编号输入配对等。信号极性模式分为单极性模式和伪双极性模式，可根据实际需求选择不同的模式。

参考电压输入

(V_{REF}) 设置 ADC 的满量程电压，ADC 核心在转换过程的位试验中对参考输入（REF）上的电压进行采样，以确定输出代码结果。器件兼容 2.4 V 至 5.1 V 的参考电压，REF 输入高阻抗模式和内部参考缓冲器的应用，简化了参考电路的设计。

电源管理

器件具有三个电源引脚：模拟电源（AVDD）、ADC 核心电源（VDD）和数字输入/输出接口电源（VIO），还包含一个内部 LDO，可提供更广泛的电源电压选择。电源排序方面，VIO、VDD 和 AVDD 之间的电源排序相互独立，且器件在较宽的频率范围内对电源纹波不敏感。

应用电路设计要点

模拟前端设计

• 外部 RC 滤波器：由外部电阻 (R{EXT}) 和电容 (C{EXT}) 组成的低通滤波器，可降低 AFE 电路的宽带噪声，减少模拟输入处的非线性电压跳变，并保护模拟输入免受过压事件的影响。
• 信号稳定要求：为实现器件的指定性能，多路复用器开关闭合时产生的电压跳变（kickback）必须在下次转换阶段开始前（即下一个 CNV 上升沿）稳定到 ADC 核心的半个 LSB 以内。模拟输入高阻抗模式可显著减少这种电压跳变的幅度，降低对 AFE 带宽的要求。
• AFE 噪声考虑：AFE 噪声的大小直接影响整个 AD4697/AD4698 信号链的动态范围和 SNR 性能。在设计 AFE 电路时，应选择合适的组件和配置，以达到系统的目标噪声指标。

参考电路设计

参考电路必须具备足够的噪声性能、精度、漂移和信号稳定特性，以确保 (V_{REF}) 在 ADC 转换过程中保持稳定。REF 输入高阻抗模式和内部参考缓冲器的使用，可降低对参考电路的驱动要求。

数字接口操作

• ADC 转换启动信号选项：CNV 输入作为边沿触发的中断引脚，指示 ADC 核心进行转换操作。其信号周期决定了器件的采样率，必须符合相应的规格要求。
• SPI 外设连接：器件提供多种串行数据输出模式，可根据实际需求选择合适的连接方式。在设计时，建议在相关引脚添加上拉电阻，确保信号的稳定性。
• SPI 外设同步：在转换模式下，SPI 传输必须在 (t{CONVERT}) 时间过后开始，并在 (t{SCKCNV}) 时间之前完成，以确保与 CNV 信号同步。可通过多种方式实现 SPI 与 ADC 转换时序的同步，如利用倒计时定时器、忙指示或阈值检测报警指示等。

寄存器配置

AD4697/AD4698 具有多个可编程配置寄存器，用于监控器件状态和配置功能。这些寄存器的配置直接影响器件的工作模式和性能，因此在使用时必须根据具体应用需求进行正确设置。

寄存器概述

寄存器映射内存空间划分为字节，每个字节有唯一地址。寄存器分为单字节和多字节寄存器，读写操作需通过 SPI 进行。部分寄存器包含只读、读写或写 1 清 0 位，使用时需注意其访问权限。

详细寄存器描述

不同寄存器具有不同的功能，如 SPI 配置寄存器用于设置 SPI 协议相关参数，状态寄存器用于监控器件状态，通道配置寄存器用于设置通道相关参数等。具体的位描述和功能在文档中有详细说明，工程师在配置时应仔细参考。

应用场景广泛

基于其卓越的性能和丰富的功能，AD4697/AD4698 在多个领域都有广泛的应用前景，如光电二极管监测、医疗仪器、电子测试与测量、自动化测试设备、仪器仪表和过程控制以及电池供电设备等。

在实际应用中，电子工程师需要根据具体的应用需求，合理设计外部电路，正确配置寄存器，以充分发挥 AD4697/AD4698 的性能优势。同时，要注意 PCB 布局和电源管理等方面的问题，确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能为大家在使用 AD4697/AD4698 时提供一些有益的参考和帮助。你在使用这类 ADC 时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。