AD4680/AD4681：高性能16位双路同步采样SAR ADC的深度解析

在电子设计领域，ADC（模拟 - 数字转换器）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。AD4680/AD4681作为16位、引脚兼容的双路同步采样、高速、低功耗逐次逼近寄存器（SAR）ADC，凭借其出色的性能和丰富的功能，在众多应用场景中展现出独特的优势。本文将深入剖析AD4680/AD4681的特性、工作原理、应用以及相关注意事项，为电子工程师在实际设计中提供全面的参考。

文件下载：AD4681.pdf

产品特性亮点

高性能指标

• 采样速率：AD4680具有1 MSPS的吞吐量转换速率，而AD4681为500 kSPS，能够满足不同应用对采样速度的需求。
• 信噪比（SNR）：典型值可达92.5 dB（(V_{REF }=3.3 ~V) 外部），在8倍过采样且 (RES = 1) 时，SNR更是能达到100 dB，有效降低噪声干扰，提高信号质量。
• 积分非线性（INL）：最大为1.5 LSBs，保证了转换的准确性。
• 内部参考：具备2.5 V内部参考，温度系数为10 ppm/°C，稳定性高。

功能特性

• 双路同步采样：能够同时对两路模拟信号进行采样，适用于需要同步测量的应用场景，如电机控制中的位置反馈和电流检测。
• 全差分模拟输入：可接受宽共模输入电压，增强了对噪声和干扰的抵抗能力。
• 片上过采样功能：通过多次采样并平均，有效改善动态范围，降低噪声。
• 分辨率提升功能：可将转换结果的分辨率从默认的16位提升至18位，满足更高精度的应用需求。
• 高速串行接口：方便与微处理器或数字信号处理器（DSP）进行接口，实现数据的快速传输。
• 宽工作温度范围：可在 -40°C至 +125°C的环境下正常工作，适应各种恶劣的工业和汽车应用场景。
• 警报功能：当转换结果超出预设的阈值时，可发出警报信号，便于及时发现异常情况。

工作原理剖析

电路结构

AD4680/AD4681包含两个SAR ADC和一个具有两个独立数据输出引脚的串行接口，采用16引脚LFCSP封装，节省空间。数据通过串行接口进行访问，接口可支持单路或双路串行输出。芯片内部有一个2.5 V的内部 (V{REF}) ，也可选择使用2.5 V至3.3 V的外部参考电压。其差分模拟输入范围为共模电压（(V{CM})）± (V_{REF} / 2) 。

转换过程

AD4680/AD4681的每个SAR ADC基于两个电容式数模转换器（DAC）。在采集阶段，采样电容阵列获取输入的差分信号；转换开始时，控制逻辑和电荷再分配DAC通过对采样电容阵列进行电荷的加减操作，使比较器恢复平衡，完成转换并生成ADC输出代码。需要注意的是，驱动 (AINX+) 和 (AINX-) 引脚的源的输出阻抗必须匹配，否则会导致输入信号的建立时间不同，从而产生误差。

应用场景与电路设计

应用场景

• 电机控制：用于电机控制的位置反馈和电流检测，确保电机的精确控制和稳定运行。
• 声纳系统：对声纳信号进行高精度的采集和处理，提高声纳系统的性能。
• 电能质量监测：实时监测电能质量参数，保障电力系统的安全稳定运行。
• 数据采集系统：广泛应用于各种数据采集场景，为后续的数据分析和处理提供准确的数据。
• 掺铒光纤放大器（EDFA）应用：在光通信领域，用于对EDFA的信号进行精确测量和控制。
• 同相（I）和正交（Q）解调：在通信系统中，实现对信号的解调处理。

典型应用电路设计

在典型应用电路中，需要对 (V{CC})、(V{LOGIC})、REGCAP和REFIO引脚进行适当的去耦处理，使用合适的去耦电容。外露焊盘必须连接到电路板的地，作为器件电路的接地参考点。为了确保最佳性能，需要在模拟输入上放置差分RC滤波器，推荐电阻 (R = 33 Omega) ，电容 (C1 = 68 pF) 和 (C2 = 330 pF) 。同时，要注意数字接口的噪声问题，可通过缩短数字线路与数字接口的距离或在SDOA引脚和SDOB/ALERT引脚附近串联100 Ω电阻来减少噪声耦合。

工作模式详解

过采样模式

过采样是提高ADC精度的常用方法，AD4680/AD4681提供片上滚动平均过采样功能。通过在CONFIGURATION1寄存器中设置OS_MODE位和OSR位来启用或禁用过采样功能。在滚动平均过采样模式下，ADC的所有转换由CS信号的下降沿控制和启动，转换结果存储在FIFO中。过采样比率由OSR位控制，输出结果会被抽取为16位分辨率，若需要更高分辨率，可通过设置RES位来实现。

分辨率提升模式

默认情况下，AD4680/AD4681的转换结果输出数据大小为16位。当片上过采样功能启用时，可通过将CONFIGURATION1寄存器中的RES位设置为1，将转换结果的分辨率提升至18位。在此模式下，需要18个SCLK周期来传输数据。

警报模式

警报功能可作为转换结果超出范围的早期指示器。当转换结果值寄存器超过ALERT_HIGH_THRESHOLD寄存器中的警报高限值或低于ALERT_LOW_THRESHOLD寄存器中的警报低限值时，会触发警报事件。警报信息可在ALERT寄存器中查看，SDOB/ALERT引脚可配置为警报输出。

电源模式

AD4680/AD4681具有正常模式和关断模式两种电源模式。通过编程CONFIGURATION1寄存器中的PMODE位来配置电源模式，设置为逻辑0为正常模式，逻辑1为关断模式。正常模式下，设备可实现最快的吞吐量，所有模块保持全功率运行；关断模式下，所有模拟电路（包括内部参考）断电，可降低功耗，适用于对功耗要求较高的应用场景。

接口与寄存器配置

接口操作

AD4680/AD4681通过串行接口进行通信，接口由CS、SCLK、SDOA、SDOB/ALERT和SDI引脚组成。CS信号用于启动ADC转换过程和帧定界，SCLK信号用于同步数据的输入和输出。根据设备的分辨率和配置设置，读取转换结果所需的SCLK周期数不同。可通过设置CONFIGURATION2寄存器中的SDO位来配置2线或1线模式，以满足不同的吞吐量需求。

寄存器配置

AD4680/AD4681具有多个用户可编程的片上寄存器，用于配置设备的各种功能。例如，CONFIGURATION1寄存器用于配置过采样、CRC功能、警报功能、分辨率、参考源和电源模式等；CONFIGURATION2寄存器用于配置串行输出模式和复位功能；ALERT寄存器用于存储警报状态信息；ALERT_LOW_THRESHOLD和ALERT_HIGH_THRESHOLD寄存器用于设置警报阈值。

总结与思考

AD4680/AD4681凭借其高性能、丰富的功能和灵活的配置选项，为电子工程师在设计各种应用系统时提供了强大的支持。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求合理选择设备的工作模式和配置参数，同时注意电路设计中的细节，如去耦、滤波和阻抗匹配等，以确保设备的性能和稳定性。那么，在您的设计中，AD4680/AD4681是否能满足您的需求呢？您在使用过程中又遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享您的经验和见解。