AD7356：高性能双路12位SAR ADC的深度剖析

在电子工程师的世界里，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的桥梁。AD7356作为一款高性能的双路12位逐次逼近型ADC，在众多应用场景中展现出卓越的性能。今天，我们就来深入剖析这款ADC的特性、性能和工作原理。

文件下载：AD7356.pdf

一、AD7356概述

AD7356是一款双路、12位、高速、低功耗的逐次逼近型ADC，采用单2.5V电源供电，每通道吞吐量高达5 MSPS。它包含两个ADC，每个ADC前面都有一个低噪声、宽带宽的跟踪保持电路，能够处理超过110 MHz的输入频率。

特性亮点

1. 双路12位SAR ADC：具备同时采样和转换两个通道的能力，可在不同数据线上同时获取转换结果，即使只有一个串口，也能依次获取数据。
2. 高吞吐量与低功耗：每通道5 MSPS的吞吐量下，功耗仅36 mW。
3. 无转换延迟：通过CS输入精确控制采样时刻，一旦启动，转换控制精准。
4. 片上参考：提供2.048 V ± 0.25%、6 ppm/°C的参考电压，也可使用外部参考电压。
5. 高速串行接口：与SPI、QSPI、MICROWIRE、DSP兼容。
6. 宽温度范围：可在 -40°C 至 +125°C 的环境下工作。
7. 小封装：采用16引脚TSSOP封装，节省空间。

应用场景

• 数据采集系统：能够快速、准确地采集模拟信号并转换为数字信号。
• 运动控制：为运动控制系统提供精确的反馈数据。
• I和Q解调：在通信领域有着重要的应用。

二、性能指标

动态性能

在输入频率为1 MHz的正弦波时，AD7356展现出出色的动态性能。信噪比（SNR）可达70 - 71.5 dB，信纳比（SINAD）为69.5 - 71 dB，总谐波失真（THD）低至 -84 - -77.5 dB，无杂散动态范围（SFDR）为 -85 - -78.5 dB。

采样与保持

• 孔径延迟：3.5 ns
• 孔径延迟匹配：40 ps
• 孔径抖动：16 ps
• 全功率带宽：3 dB时为110 MHz，0.1 dB时为77 MHz

直流精度

• 分辨率：12位
• 积分非线性（INL）：±0.5 - ±1 LSB
• 差分非线性（DNL）：±0.5 - ±0.99 LSB，保证12位无漏码
• 正满量程误差：±1 - ±6 LSB
• 正满量程误差匹配：±2 - ±8 LSB
• 中值误差：+5 - 0/+11 LSB
• 中值误差匹配：±2 - ±8 LSB
• 负满量程误差：±1 - ±6 LSB
• 负满量程误差匹配：±2 - ±8 LSB

模拟输入

• 全差分输入范围：VCM ± VREF/2
• 共模电压范围：0.5 - 1.9 V
• 直流泄漏电流：±0.5 - ±5 μA
• 输入电容：跟踪模式下为8 pF，保持模式下为32 pF

参考输入/输出

• VREF输入电压范围：2.048 + 0.1 VDD V
• VREF输入电流：0.3 - 0.45 mA
• VREF输出电压：在不同条件下有不同的精度，如VDD = 2.5 V ± 5%时，最大为2.048 V ± 0.5%；VDD = 2.5 V ± 5%且25°C时，最大为2.048 V ± 0.25%
• VREF温度系数：6 - 20 ppm/°C
• VREF长期稳定性：100 ppm（1000小时）
• VREF热滞：50 ppm
• VREF噪声：60 μV rms
• VREF输出阻抗：1 Ω

逻辑输入/输出

• 输入高电压（VINH）：0.6 × VDRIVE V
• 输入低电压（VINL）：0.3 × VDRIVE V
• 输入电流（IIN）：±1 μA
• 输入电容（CIN）：3 pF
• 输出高电压（VOH）：VDRIVE - 0.2 V
• 输出低电压（VOL）：0.2 V
• 浮动状态泄漏电流：±1 μA
• 浮动状态输出电容：5.5 pF
• 输出编码：直二进制

转换速率

• 转换时间：t2 + 13 × tSCLK
• 跟踪保持采集时间：2 ns
• 吞吐量：5 MSPS

功率要求

• VDD：2.25 - 2.75 V
• VDRIVE：2.25 - 3.6 V
• 总电流（ITOTAL）：不同模式下有不同的电流消耗，如正常模式（运行）为14 - 20 mA，正常模式（静态）为6 - 7.8 mA，部分功率下降模式为3.5 - 4.5 mA，全功率下降模式在 -40°C 至 +85°C 为5 - 40 μA，85°C 至 125°C 为90 μA。
• 功耗：正常模式（运行）为36 - 59 mW，正常模式（静态）为16 - 21.5 mW，部分功率下降模式为9.5 - 11.5 mW，全功率下降模式在 -40°C 至 +85°C 为16 - 110 μW，85°C 至 125°C 为250 μW。

三、工作模式

正常模式

在正常模式下，AD7356以5 MSPS的吞吐量运行，能够快速、准确地完成模拟信号到数字信号的转换。

部分功率下降模式

该模式下，功耗降低，适用于对功耗有一定要求但仍需保持一定性能的场景。

全功率下降模式

在该模式下，功耗进一步降低，可在不需要进行转换时使用，以节省能量。

四、工作原理

电路结构

AD7356包含两个片上差分跟踪保持放大器、两个逐次逼近型ADC和一个带有两个独立数据输出引脚的串行接口。串行时钟输入不仅用于访问数据，还为每个逐次逼近型ADC提供时钟源。

转换过程

ADC基于两个电容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，开关状态改变，控制逻辑和电荷再分配DAC用于调整采样电容阵列的电荷，使比较器重新平衡，完成转换后，控制逻辑生成ADC输出代码。

模拟输入结构

模拟输入结构包含四个用于ESD保护的二极管，以及电容和电阻等元件。需要注意的是，模拟输入信号不能超过电源轨300 mV，否则二极管会导通，可能影响性能。

五、使用建议

接地与布局

合理的接地和布局对于AD7356的性能至关重要。模拟地（AGND）和数字地（DGND）应尽量保持等电位，且差值不超过0.3 V。同时，要注意电源的去耦，使用0.1 μF电容和10 μF钽电容并联进行去耦。

评估性能

在评估AD7356的性能时，需要考虑输入信号的频率、幅度等因素，以及工作温度、电源电压等条件。可以通过测量信噪比、总谐波失真等指标来评估其性能表现。

六、总结

AD7356凭借其高吞吐量、低功耗、双路同时采样等特性，在数据采集、运动控制等领域有着广泛的应用前景。作为电子工程师，在使用AD7356时，需要充分了解其性能指标和工作原理，合理进行设计和布局，以发挥其最佳性能。你在使用类似ADC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验。