16位2.5 MSPS低功耗ADC——AD7985的全方位解析

在电子设计领域，模数转换器（ADC）作为模拟信号与数字信号之间的桥梁，其性能直接影响着整个系统的精度和稳定性。今天，我们就来深入探讨一款高性能的16位、2.5 MSPS的ADC——AD7985。

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一、AD7985概述

AD7985是一款采用逐次逼近架构的16位模数转换器，具备低功耗、高速、高精度等特点。它集成了低功耗、高速的16位采样ADC、内部转换时钟、内部参考（和缓冲器）、误差校正电路以及多功能串行接口端口。该芯片采用20引脚、4mm×4mm的LFCSP封装，工作温度范围为 -40°C至 +85°C，适用于电池供电设备、通信、ATE、数据采集系统和医疗仪器等多种应用场景。

二、技术特性分析

1. 高分辨率与无失码

AD7985拥有16位分辨率，且无失码现象，能够提供精确的数字输出。这意味着在信号转换过程中，每一个模拟信号都能被准确地转换为对应的数字代码，大大提高了系统的精度。

2. 灵活的吞吐量与低功耗

它具有两种工作模式：Turbo模式和正常模式。在Turbo模式下（TURBO引脚为高电平），最高吞吐量可达2.5 MSPS；在正常模式下（TURBO引脚为低电平），最大吞吐量为2.0 MSPS。同时，其功耗与吞吐量成正比，在2.5 MSPS时，使用外部参考的功耗仅为15.5 mW，使用内部参考时为28 mW，非常适合对功耗要求较高的应用。

3. 出色的精度指标

• 积分非线性误差（INL）：典型值为±0.7 LSB，最大值为±1.5 LSB，确保了转换结果的准确性。
• 信噪比（SNR）：使用片上参考时为88.5 dB，使用外部参考时可达90 dB，能够有效抑制噪声干扰，提高信号质量。

  4. 伪差分模拟输入

  AD7985的模拟输入电压范围为0 V至VREF（VREF最高可达5.0 V），允许使用任意输入范围，并且可以对IN+和IN - 之间的真实差分信号进行采样，有效抑制共模信号。

三、工作原理与模式

1. 转换器操作

AD7985基于电荷再分配DAC的逐次逼近型ADC。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输入变为高电平时，转换阶段开始。通过控制逻辑切换电容阵列的开关，使比较器重新平衡，最终生成ADC输出代码和忙信号指示。

2. 转换模式

• Turbo模式：提供最快的转换速率，最高可达2.5 MSPS，但首次转换的数据无意义。在该模式下，ADC在转换之间不会掉电。
• 正常模式：适用于对功耗要求较高、采样速率稍低的应用，最大转换速率为2.0 MSPS，首次转换的数据有意义，且ADC在转换之间会掉电。

四、关键设计要点

1. 模拟输入设计

AD7985的模拟输入结构包含两个二极管，用于ESD保护。在设计时，要确保模拟输入信号不超过参考输入电压0.3 V，以避免二极管导通。同时，输入源阻抗对AC性能影响较大，尤其是THD，因此在选择驱动电路时，要尽量降低源阻抗。

2. 驱动放大器选择

驱动放大器的噪声和THD性能会直接影响AD7985的性能。为了保持SNR和过渡噪声性能，驱动放大器产生的噪声应尽可能低。对于交流应用，驱动放大器的THD性能要与AD7985相匹配。在多通道复用应用中，驱动放大器和AD7985的模拟输入电路必须能够在16位水平上对满量程阶跃进行稳定响应。推荐的驱动放大器有AD8021、AD8022、ADA4899 - 1和AD8014等。

3. 电压参考输入

AD7985提供了多种参考选择，包括内部参考、外部1.2 V参考与内部缓冲器以及外部参考。内部参考具有良好的温度补偿性能，典型漂移为10 ppm/°C。使用外部参考时，可以提高SNR和动态范围，并节省功耗。无论选择哪种参考，都需要对参考输入进行适当的去耦。

4. 电源供应

AD7985有四个电源引脚：AVDD、BVDD、DVDD和VIO。VIO允许直接与1.8 V至2.7 V的逻辑电平接口。为了减少电源数量，VIO、DVDD和AVDD可以连接在一起。该芯片对电源变化不敏感，并且在正常模式下，会在每个转换阶段结束时自动掉电，功耗与采样速率成正比。

5. 数字接口

AD7985提供了灵活的串行接口模式，包括CS模式和链模式。CS模式下，可选择3线或4线接口；链模式下，可实现多个ADC的级联。在设计时，要注意数字活动的时间，避免在不安全的数据读取时间进行操作，以防止转换结果出错。

五、数据读取选项

AD7985有三种数据读取选项：转换期间读取、跨采集和转换阶段分割读取以及采集期间读取。选择哪种读取选项主要取决于所需的SCK频率。在转换期间读取时，主机需要使用快速的SCK；分割读取可以允许较慢的SCK；采集期间读取在正常模式下可实现最大吞吐量，但在Turbo模式下无法达到2.5 MSPS。

六、应用与布局建议

1. 应用领域

AD7985适用于多种应用场景，如电池供电设备、通信、ATE、数据采集系统和医疗仪器等。其低功耗和高分辨率的特点使其在这些领域具有很大的优势。

2. 布局建议

在设计PCB时，要将模拟和数字部分分开，并将它们限制在电路板的特定区域。避免在器件下方铺设数字线路，防止噪声耦合到芯片上。至少使用一个接地平面，可以是公共的或在数字和模拟部分之间分割。同时，要对电压参考输入和电源进行适当的去耦，以减少噪声干扰。

综上所述，AD7985是一款性能出色的16位ADC，具有高分辨率、低功耗、灵活的接口模式等优点。在实际设计中，工程师需要根据具体应用需求，合理选择驱动放大器、电压参考和数据读取方式，并注意PCB布局，以充分发挥AD7985的性能优势。大家在使用AD7985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。