探索AD7915/AD7916：高性能16位ADC的技术剖析与应用指南

在电子设计领域，ADC（模数转换器）就像是一座桥梁，连接着模拟世界与数字世界。今天要介绍的AD7915/AD7916这两款16位ADC，凭借其出色的性能和丰富的特性，在众多应用场景中展现出强大的竞争力。

文件下载：AD7916.pdf

特性亮点

高性能表现

AD7915/AD7916的模拟输入范围十分出色，拥有真正的差分输入范围：±V (+VREF) ，并且能在0 V到 (VREF) （ (VREF) 介于2.5 V至5 V之间）的区间内稳定工作。其吞吐量有1 MSPS/500 kSPS两种选择，能满足不同应用对采样速度的要求。同时，采用零延迟架构，具备16位分辨率且无失码现象，INL（积分非线性误差）典型值为±0.4 LSB，最大值为±1 LSB。在动态范围方面，当 (V{REF}=5 ~V) 时可达95.5 dB，在 (f{I N}=1 kHz) 、 (V_{REF}=5 ~V) 的条件下，SNR（信噪比）为94 dB，THD（总谐波失真）为−118.5 dB，SINAD（信噪失真比）为93.5 dB。这些参数表明，AD7915/AD7916在性能上表现卓越，能够精确地完成模数转换任务。

低功耗优势

对于很多电子设备，尤其是电池供电的应用场景，低功耗是至关重要的指标。AD7915/AD7916在这方面表现出色，它们采用单电源2.5 V供电，搭配1.8 V/2.5 V/3 V/5 V的逻辑接口。AD7915在1 MSPS采样率下，仅VDD功耗为4 mW，总功耗为7 mW；AD7916在500 kSPS采样率下，仅VDD功耗为2 mW，总功耗为3.7 mW，在10 kSPS采样率下功耗低至70 μW。如此低的功耗设计，大大延长了设备的续航时间，降低了能源消耗。

灵活的接口与封装

AD7915/AD7916拥有专有的串行接口，与SPI - /QSPI - /MICROWIRE™ - /DSP兼容，方便与各种数字系统进行连接。在封装方面，提供10引脚的MSOP和3 mm × 3 mm的LFCSP两种选择，能够适应不同的电路板空间需求。此外，其工作温度范围为−40°C至+125°C，可在较为恶劣的环境条件下稳定工作。

规格参数解析

基本性能参数

在分辨率上，AD7915/AD7916均为16位，保证了较高的转换精度。模拟输入电压范围方面，IN+ - IN - 的绝对输入电压范围为−V REF - 0.1至+V REF，IN+和IN - 的上限为V REF + 0.1 V。在精度方面，无失码现象，DNL（差分非线性误差）在 (V{REF}=5 ~V) 时为±0.4 LSB，在 (V{REF}=2.5 ~V) 时为±0.5 LSB；INL在 (V{REF}=5 ~V) 时为±0.4 LSB，在 (V{REF}=2.5 ~V) 时为±0.5 LSB。这些精度指标确保了转换结果的准确性。

吞吐量与动态性能

吞吐量方面，当VIO > 2.3 V时，AD7915可达1 MSPS，AD7916为500 kSPS；当VIO ≤ 2.3 V时，AD7915为833 kSPS，AD7916仍为500 kSPS。在动态性能上，动态范围在 (V{REF}=5 ~V) 时为95.5 dB，在 (V{REF}=2.5 ~V) 时为92 dB；在 (f{I N}=1 kHz) 、 (V{REF}=5 ~V) 的条件下，SNR为94 dB，THD为−118.5 dB，SINAD为93.5 dB。这些参数体现了AD7915/AD7916在不同工作条件下的稳定表现。

电源与接口参数

电源方面，VDD范围为2.375至2.625 V，VIO范围为1.71至5.5 V。在不同的工作模式和采样率下，功耗表现不同。数字接口方面，逻辑电平根据VIO的不同而有所变化，数据格式为串行、16位、二进制补码，转换结果可在转换完成后立即获得。

工作原理与电路设计

理论基础

AD7915/AD7916采用逐次逼近型架构，基于电荷再分配DAC（数模转换器）工作。其电容式DAC由两个相同的18个二进制加权电容阵列组成，连接到比较器的两个输入端。在采集阶段，电容阵列作为采样电容，采集IN+和IN - 输入的模拟信号。当采集阶段完成且CNV输入变高时，转换阶段开始。通过控制逻辑切换电容阵列的开关，使比较器输入以二进制加权的电压步长变化，最终完成模数转换。

电路设计要点

• 模拟输入：模拟输入结构采用两个二极管D1和D2提供ESD保护，可对IN+和IN - 之间的真实差分信号进行采样，有效抑制共模信号。在采集阶段，输入阻抗可建模为电容CPIN与 (R{IN}) 和 (C{IN}) 串联网络的并联组合，形成一个单极点低通滤波器，减少混叠效应和噪声。驱动电路的源阻抗对AC性能影响较大，特别是THD，因此在设计时需根据实际需求选择合适的源阻抗。
• 驱动放大器选择：驱动放大器的噪声要尽可能低，以保证AD7915/AD7916的SNR和转换噪声性能。对于AC应用，驱动放大器的THD性能要与AD7915/AD7916相匹配。在多通道、多路复用应用中，驱动放大器和AD7915/AD7916的模拟输入电路要能在16位水平上对电容阵列的满量程阶跃进行稳定响应。推荐的驱动放大器有ADA4805 - 1 / ADA4805 - 2、ADA4807 - 1 / ADA4807 - 2等，可根据具体应用需求进行选择。
• 单端转差分驱动：对于使用单端模拟信号的应用，可采用ADA4941 - 1单端转差分驱动，使设备能够接收差分输入。通过合理选择电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6等参数，可设置输入范围与ADC范围的衰减比以及IN - 和IN+的共模电压。
• 电压参考输入：AD7915/AD7916的电压参考输入REF具有动态输入阻抗，需由低阻抗源驱动，并在REF和GND引脚之间进行有效去耦。当REF由极低阻抗源驱动时，使用10 μF（X5R，0805尺寸）陶瓷片式电容可获得最佳性能；若使用未缓冲的参考电压，去耦电容值需根据参考源而定。
• 电源供应：采用两个电源引脚，即核心电源VDD和数字输入/输出接口电源VIO。VIO可直接与1.8 V至5.5 V的任何逻辑接口相连。为减少电源数量，VIO和VDD可连接在一起。当VIO ≥ VDD时，AD7915/AD7916对电源顺序不敏感；若VIO < VDD，则需先施加VIO。此外，它们在较宽的频率范围内对电源变化不敏感。
• 数字接口：AD7915/AD7916的串行接口模式灵活，有CS模式和链模式两种。CS模式下，可使用3线或4线接口，适用于与SPI兼容的数字主机连接。链模式可通过SDI输入实现多个ADC的菊花链连接，减少组件数量和布线连接，适用于隔离多转换器应用或接口能力有限的系统。在两种模式下，还可选择在数据位前设置起始位作为忙信号指示器，方便触发数据读取。

典型应用与布局建议

应用场景

AD7915/AD7916适用于多种应用领域，如自动化测试设备、数据采集系统、医疗仪器和机器自动化等。在这些应用中，其高性能和低功耗特性能够满足对数据采集精度和能源效率的要求。

与Blackfin DSP的接口

可以轻松连接到Blackfin® DSP的SPI或SPORT接口。SPI配置简单，直接使用标准SPI接口即可。SPORT接口可利用DMA（直接内存访问）功能，并提供由硬件计数器生成的低抖动CNV信号，但可能需要一些胶合逻辑来实现接口连接。

布局要点

在PCB设计时，要将模拟和数字部分分开，分别布局在电路板的特定区域。避免在器件下方铺设数字线路，若需铺设，可使用接地平面作为屏蔽。不要让快速切换信号（如CNV或时钟）靠近模拟信号路径，避免数字和模拟信号交叉。建议使用至少一个接地平面，可采用共用或分割的方式，若分割，需在AD7915/AD7916器件下方连接。对REF引脚进行去耦时，要使用陶瓷电容，并将其放置在靠近REF和GND引脚的位置，用宽的低阻抗走线连接。对VDD和VIO电源进行去耦时，使用100 nF的陶瓷电容，放置在靠近AD7915/AD7916的位置，用短而宽的走线连接，以降低电源线上的干扰。

总结

AD7915/AD7916作为高性能的16位ADC，在性能、功耗、接口和封装等方面都具有显著的优势。其丰富的特性和灵活的设计，使其能够广泛应用于各种电子设备中。在实际设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择驱动放大器、设置电压参考和电源供应，并注意PCB布局要点，以充分发挥AD7915/AD7916的性能优势。你在使用ADC过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。