深度剖析 AD7688：16 位高精度 ADC 的卓越之选

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接现实世界模拟信号与数字系统的关键桥梁。今天，我们将深入探讨一款性能卓越的 16 位 ADC——AD7688，它在众多应用场景中展现出了独特的优势。

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产品概述

AD7688 是一款采用电荷再分配、逐次逼近架构的 16 位 ADC，由 Analog Devices 公司出品。它具备 500 kSPS 的高吞吐量，且在转换间隙能够自动进入低功耗状态，非常适合电池供电设备等对功耗敏感的应用。该芯片采用单 5V 电源供电，拥有低功耗、高速、无漏码等特性，还集成了内部转换时钟和多功能串行接口。

关键特性

高精度与高动态范围

• 分辨率与线性度：16 位分辨率且无漏码，积分非线性（INL）典型值为 ±0.4 LSB，最大值为 ±1.5 LSB（±23 ppm of FSR），确保了高精度的转换。
• 动态性能：动态范围达 96.5 dB，信噪比（SNR）在 20 kHz 时为 95.5 dB，总谐波失真（THD）在 20 kHz 时为 -118 dB，能有效处理各种复杂信号。

灵活的输入范围与接口

• 模拟输入：支持真正的差分模拟输入范围 ±VREF，也可在 0 V 至 VREF 之间工作，VREF 最高可设置为电源电压 VDD。
• 数字接口：拥有与 SPI®/QSPI™/MICROWIRE™/DSP 兼容的专有串行接口，支持菊花链连接多个 ADC，并提供可选的 BUSY 指示功能。同时，它能与 1.8 V、2.5 V、3 V 或 5 V 的逻辑电平兼容。

低功耗设计

• 功耗随吞吐量线性变化：在 5 V 电源、100 kSPS 吞吐量时功耗为 3.75 mW，100 SPS 时功耗仅为 3.75 μW，待机电流低至 1 nA，适合低采样率和电池供电应用。

封装与兼容性

• 封装形式：提供 10 引脚 MSOP（MSOP - 8 尺寸）和 3 mm × 3 mm LFCSP（SOT - 23 尺寸）两种封装，节省空间且便于灵活配置。
• 引脚兼容性：与 AD7685、AD7686 和 AD7687 引脚兼容，方便用户进行升级和替换。

工作原理

AD7688 基于电荷再分配 DAC 的逐次逼近架构。在采集阶段，电容阵列作为采样电容，通过开关将其连接到模拟输入，采集 IN+ 和 IN - 引脚的模拟信号。当采集完成且 CNV 输入变为高电平时，转换阶段开始，开关动作使电容阵列与输入断开并连接到 GND，将采集到的差分电压施加到比较器输入。控制逻辑通过切换电容阵列的每个元素，使比较器恢复平衡，最终完成转换并生成输出代码和 BUSY 信号。由于芯片自带转换时钟，串行时钟 SCK 并非转换过程所必需。

典型性能特性

线性度与直方图

• 积分非线性（INL）：从 INL 与代码的关系图可以看出，其正 INL 为 +0.31 LSB，负 INL 为 -0.39 LSB，表明芯片在整个代码范围内具有良好的线性度。
• 差分非线性（DNL）：DNL 最大值为 ±0.37 LSB，保证了代码转换的准确性，无漏码现象。
• 直方图：通过直流输入的直方图，我们可以直观地看到芯片在代码中心和代码转换处的性能表现，进一步验证了其高精度特性。

动态性能

• FFT 分析：在 2 kHz 输入信号下，SNR 为 95.6 dB，THD 为 -117.7 dB，SFDR 为 -117.9 dB，展示了芯片在高频信号处理方面的卓越能力。
• SNR、S/(N + D) 和 ENOB 与参考电压的关系：随着参考电压的变化，SNR、S/(N + D) 和有效位数（ENOB）也会发生相应变化。工程师可以根据实际需求选择合适的参考电压，以优化系统性能。
• 温度特性：SNR 和 THD 随温度的变化曲线表明，芯片在 -40°C 至 +85°C 的温度范围内仍能保持稳定的性能。

功耗特性

• 工作电流与采样率：工作电流与采样率呈线性关系，采样率越低，功耗越低，这对于电池供电设备至关重要。
• 电源抑制比（PSRR）：PSRR 随频率的变化曲线显示，芯片对电源变化具有较强的抗干扰能力，在宽频率范围内表现稳定。

应用电路设计

模拟输入

AD7688 的模拟输入结构包含两个用于 ESD 保护的二极管 D1 和 D2，使用时需确保输入信号不超过电源轨 0.3 V，以免二极管导通。输入阻抗在采集阶段可建模为电容 CPIN 与 (R_{IN}) 和 CIN 串联网络的并联组合，形成一个 1 阶低通滤波器，可减少混叠效应和噪声。当驱动电路的源阻抗较低时，可直接驱动 AD7688；源阻抗较大时，会影响交流性能，尤其是 THD。

驱动放大器选择

为了保证 AD7688 的 SNR 和过渡噪声性能，驱动放大器的噪声应尽可能低。其噪声会被 AD7688 的模拟输入电路或外部滤波器过滤。对于交流应用，驱动放大器的 THD 性能应与 AD7688 相匹配。在多通道复用应用中，驱动放大器和 AD7688 的模拟输入电路需在 16 位精度下完成满量程阶跃的建立。

单端转差分驱动

对于单端模拟信号应用，可使用单端转差分驱动电路将单端信号转换为差分输入，为 AD7688 提供合适的输入信号。

电压参考输入

AD7688 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。不同的参考源和应用场景需要选择合适的去耦电容，以确保最佳性能。

电源供应

AD7688 采用双电源供电，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 VDD 的逻辑电平接口，为了减少电源需求，VIO 和 VDD 可连接在一起。芯片对电源变化不敏感，且在每个转换阶段结束后自动进入低功耗状态，功耗与采样率线性相关。

数字接口

AD7688 提供了多种串行接口模式，包括 CS 模式和链模式。在 CS 模式下，可选择 3 线或 4 线接口，适用于不同的应用场景。链模式允许通过 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。此外，芯片还提供可选的 BUSY 指示功能，方便用户进行数据读取和控制。

布局与评估

布局设计

在 PCB 设计中，应将模拟和数字部分分开，避免数字线路在芯片下方布线，防止噪声耦合。至少使用一个接地平面，可采用共用或分割的方式，确保在芯片下方连接。REF 引脚的去耦电容应靠近引脚放置，电源 VDD 和 VIO 也需使用陶瓷电容进行去耦，以减少电源线上的干扰。

性能评估

可参考 AD7688 评估板（EVAL - AD7688SDZ）的文档进行布局设计。评估板套件包含组装和测试好的评估板、文档以及通过 EVAL - SDP - CD1Z 从 PC 控制评估板的软件，方便工程师对 AD7688 的性能进行评估和验证。

总结

AD7688 凭借其高精度、高动态范围、低功耗、灵活的接口和封装等特性，在电池供电设备、数据采集、仪器仪表、医疗仪器和过程控制等领域具有广泛的应用前景。工程师在设计过程中，需根据具体应用需求，合理选择驱动放大器、参考电压、电源供应和接口模式，并注意 PCB 布局设计，以充分发挥 AD7688 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和见解。