AD7683 16 位 ADC 芯片的详细解析与设计应用

在电子工程师的日常工作中，模数转换器（ADC）是一个至关重要的组件。今天我们就来深入探讨一款性能出色的 16 位 ADC——AD7683，看看它在设计和应用方面有哪些值得关注的地方。

文件下载：AD7683.pdf

一、ADC 选型参考

在选择 ADC 时，采样速率和分辨率是两个关键因素。下面这张表格展示了不同类型 ADC 在不同采样速率下的产品推荐，同时也给出了对应的 ADC 驱动：	Type	100 kSPS	250 kSPS	400 kSPS to 500 kSPS	≥1000 kSPS	ADC Driver
18 - Bit True		AD7691	AD7690	AD7982	ADA4941 - 1
Differential				AD7984	ADA4841 - 1
16 - Bit True	AD7684	AD7687	AD7688		ADA4941 - 1
Differential			AD7693		ADA4841 - 1
16 - Bit	AD7680	AD7685	AD7686	AD7980	ADA4841 - 1
Pseudo Differential	AD7683	AD7694
14 - Bit Pseudo Differential	AD7940	AD7942	AD7946		ADA4841 - 1

从表格中我们可以看到，AD7683 属于 16 位伪差分类型，适用于 100 kSPS 的采样速率。

二、AD7683 规格参数

（一）电气特性

AD7683 的工作电压范围为 (VDD = 2.7 ~V) 到 5.5 V，参考电压 (VREF = VDD)，工作温度范围是 (T_{A}=-40^{circ} C) 到 +85°C。以下是其各项规格参数：

1. 分辨率：16 位
2. 模拟输入
   • 电压范围：(+IN - (-IN)) 为 0 到 (VREF) V
   • 绝对输入电压：(+IN) 为 (-0.1) 到 (VDD + 0.1) V，(-IN) 为 (-0.1) 到 (0.1) V
   • 模拟输入共模抑制比（CMRR）：(fIN = 100 kHz) 时为 65 dB
   • 泄漏电流：25°C 时为 1 nA
   • 输入阻抗：采集阶段参考模拟输入部分
3. 吞吐量速度
   • 完整周期吞吐量速率：0 到 100 kSPS
   • (DCLOCK) 频率：0 到 2.9 MHz
4. 参考
   • 电压范围：0.5 到 (VDD + 0.3) V
   • 负载电流：100 kSPS，(V+IN - V−IN = VREF/2 = 2.5 V) 时为 50 µA
5. 数字输入
   • 逻辑电平：(VIL) 为 (-0.3) 到 (0.3 × VDD) V，(VIH) 为 (0.7 × VDD) 到 (VDD + 0.3) V
   • 输入电流：(IIL) 为 (-1) 到 (+1) µA，(IIH) 为 (-1) 到 (+1) µA
   • 输入电容：5 pF
6. 数字输出
   • 数据格式：串行，16 位直二进制
   • (VOH)（(ISOURCE = -500 µA)）：(VDD - 0.3) V
   • (VOL)（(ISINK = +500 µA)）：0.4 V
7. 电源
   • (VDD) 额定性能：2.7 到 5.5 V
   • (VDD) 范围：2.0 到 5.5 V
   • 工作电流：100 kSPS 吞吐量，(VDD = 5 V) 时为 800 µA
   • 待机电流：(VDD = 5 V)，25°C 时为 560 nA；(VDD = 2.7 V) 时为 150 nA
   • 功耗：(VDD = 5 V) 时为 4 到 6 mW；(VDD = 2.7 V) 时为 1.5 mW；(VDD = 2.7 V)，10 kSPS 吞吐量时为 150 µW
8. 温度范围：额定性能温度范围为 (-40) 到 (+85^{circ}C)

（二）精度指标

在不同的工作条件下，AD7683 的精度指标有所不同。以 (VDD = 5 ~V)，(REF = VDD)，(T_{A}=-40^{circ} C) 到 +85°C 为例，其精度指标如下：	等级	无丢失码	积分线性误差	过渡噪声	增益误差	增益误差温度漂移	偏移误差	偏移温度漂移	电源灵敏度
A 级	15 到 16 位	(-6) 到 (+6) LSB	0.5 LSB	(pm2) 到 (pm24) LSB	(pm0.3) ppm/°C	(pm0.7) 到 (pm1.6) mV	(pm0.3) ppm/°C	(pm0.05) LSB
B 级	15 到 16 位	(-3) 到 (+3) LSB	0.5 LSB	(pm2) 到 (pm15) LSB	(pm0.3) ppm/°C	(pm0.4) 到 (pm1.6) mV	(pm0.3) ppm/°C	(pm0.05) LSB

（三）时序规格

参数	符号	最小值	典型值	最大值	单位
吞吐量速率	(tcvc)			100	kHz
(CS) 下降到 (DCLOCK) 低	(tCSD)			0	µs
(CS) 下降到 (DCLOCK) 上升	(tsucs)	20			ns
(DCLOCK) 下降到数据保持有效	(tHDO)		5	16	ns
(CS) 上升沿到 (Dout) 高阻抗	(tois)			14	100	ns
(DCLOCK) 下降到数据有效	(tEN)			16	50	ns
采集时间	(tACQ)		400			ns
(Dout) 下降时间	(tF)			11	25	ns
(Dout) 上升时间	(tR)			11	25	ns

三、AD7683 工作原理

（一）转换器操作

AD7683 是基于电荷再分配 DAC 的逐次逼近型 ADC。在采集阶段，电容阵列的端子通过 (SW+) 和 (SW−) 连接到 GND，所有独立开关连接到模拟输入。此时，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 (overline{CS}) 输入变低时，转换阶段开始。转换阶段开始时，(SW+) 和 (SW−) 打开，两个电容阵列与输入断开并连接到 GND 输入。这样，采集阶段结束时捕获的输入 (+IN) 和 (-IN) 之间的差分电压被施加到比较器输入，使比较器失衡。通过将电容阵列的每个元素在 GND 和 REF 之间切换，比较器输入以二进制加权电压步长（(VREF/2)，(VREF/4)，...，(VREF/65,536)）变化。控制逻辑从最高有效位（MSB）开始切换这些开关，使比较器恢复平衡。完成此过程后，器件返回采集阶段，控制逻辑生成 ADC 输出代码。

（二）传输函数

AD7683 的理想传输函数如下表所示：	描述	模拟输入（(VREF = 5V)）	数字输出代码（十六进制）
FSR - 1 LSB	4.999924V	FFFF
中值 + 1 LSB	2.500076V	8001
中值	2.5V	8000
中值 - 1 LSB	2.499924V	7FFF
-FSR + 1LSB	76.3V	0001
-FSR	0V	0000

四、设计要点

（一）模拟输入

AD7683 的模拟输入结构包含两个二极管 (D1) 和 (D2)，用于为模拟输入 (+IN) 和 (-IN) 提供 ESD 保护。使用时要注意模拟输入信号不能超过电源轨 0.3 V，否则二极管会正向偏置并导通电流。该模拟输入结构允许对 (+IN) 和 (-IN) 之间的差分信号进行采样，通过使用 (-IN) 来感应远程信号地，可以消除传感器和本地 ADC 地之间的地电位差。在采集阶段，模拟输入 (+IN) 的阻抗可以建模为电容 (CPIN) 与由 (R{IN}) 和 (C{IN}) 串联形成的网络的并联组合。(R{IN}) 和 (C{IN}) 构成一个 1 极点低通滤波器，可减少不希望的混叠效应并限制噪声。当驱动电路的源阻抗较低时，AD7683 可以直接驱动；而大的源阻抗会显著影响交流性能，尤其是总谐波失真（THD），不过直流性能对输入阻抗不太敏感。

（二）驱动放大器选择

虽然 AD7683 易于驱动，但驱动放大器需要满足以下要求：

1. 驱动放大器产生的噪声应尽可能低，以保持 AD7683 的信噪比（SNR）和过渡噪声性能。由于 AD7683 的噪声系数比大多数其他 16 位 ADC 低得多，因此可以使用噪声较大的运算放大器来驱动，同时保持相同或更好的系统性能。驱动放大器的噪声会被 AD7683 的模拟输入电路（由 (R{IN}) 和 (C{IN}) 组成的 1 极点低通滤波器）或外部滤波器（如果使用）过滤。
2. 对于交流应用，驱动放大器的 THD 性能应适合 AD7683 的要求。
3. 对于多通道复用应用，驱动放大器和 AD7683 模拟输入电路必须能够在 16 位水平（0.0015%）上对电容阵列的满量程阶跃进行稳定。在选择驱动放大器之前，应验证其在 16 位水平的稳定时间。推荐的驱动放大器包括 ADA4841 - 1、OP184、AD8605、AD8615、AD8519 和 AD8031 等。

（三）电压参考输入

AD7683 的电压参考输入 REF 具有动态输入阻抗，因此应使用低阻抗源驱动，并在 REF 和 GND 引脚之间进行有效去耦。当 REF 由非常低阻抗的源（如低温度漂移的 ADR435 参考电压或使用 AD8031 或 AD8605 的参考缓冲器）驱动时，一个 10 μF（X5R，0805 尺寸）的陶瓷芯片电容适合实现最佳性能。如果需要，也可以使用低至 2.2 μF 的较小参考去耦电容，对性能（尤其是 DNL）的影响最小。

（四）电源

AD7683 在每个转换阶段结束时会自动掉电，因此功耗与采样率成线性关系。这使得该器件非常适合低采样率（甚至几 Hz）和低功耗电池供电应用。

（五）数字接口

AD7683 与 SPI®、QSPI™、数字主机、MICROWIRE™ 和 DSP（如 Blackfin® ADSP - BF531、ADSP - BF532、ADSP - BF533 或 ADSP - 2191M）兼容。(overline{CS}) 的下降沿启动转换和数据传输。在第五个 (DCLOCK) 下降沿之后，(Dout) 被使能并强制为低。数据位随后由后续的 (DCLOCK) 下降沿以 MSB 优先的方式时钟输出。数据在 (DCLOCK) 的两个边沿都有效，但使用 (DCLOCK) 下降沿的数字主机可以实现更快的读取速率，前提是它具有可接受的保持时间。

（六）布局

在设计 PCB 时，应将模拟和数字部分分开并限制在电路板的特定区域。AD7683 的引脚配置使得所有模拟信号在左侧，所有数字信号在右侧，便于实现这一点。应避免在器件下方运行数字线路，除非使用接地平面作为屏蔽，以防止噪声耦合到芯片上。快速开关信号（如 (overline{CS}) 或时钟）不应靠近模拟信号路径，避免数字和模拟信号交叉。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开，在 AD7683 下方连接。AD7683 的电压参考输入 REF 应使用陶瓷电容进行去耦，以减少寄生电感。最后，使用一个典型值为 100 nF 的陶瓷电容对 AD7683 的电源 VDD 进行去耦，连接时使用短而宽的走线，以提供低阻抗路径并减少电源线上的毛刺影响。

五、总结

AD7683 是一款性能出色的 16 位 ADC，具有低功耗、高采样率和良好的精度等优点。在设计应用中，我们需要根据其规格参数和工作原理，合理选择驱动放大器、进行电压参考输入和电源设计，同时注意 PCB 布局，以确保其性能的充分发挥。各位工程师在实际应用中，不妨多尝试和探索，看看 AD7683 能为你的项目带来怎样的惊喜。你在使用 ADC 时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。