低功耗12位SAR ADC：NCD98010/1的技术剖析与应用指南

在当今的电子设计领域，低功耗和高性能是两大关键追求。对于模拟到数字转换应用而言，一款优秀的ADC（模拟数字转换器）至关重要。今天，我们就来深入了解一下安森美（onsemi）推出的12位低功耗SAR（逐次逼近寄存器）ADC——NCD98010和NCD98011。

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一、产品概述

NCD98010和NCD98011这两款ADC产品，采用基于电容的逐次逼近架构，为模拟到数字转换应用提供了极低功耗的解决方案。其中，NCD98010为无符号输出，NCD98011为有符号输出。它们在低功耗和速度方面进行了优化，能够在消耗不到1mW功率的情况下实现2MSPS（每秒百万次采样）的采样率。此外，该设备的模拟和数字电源具有1.65V至3.3V的大输入电压范围，适用于各种应用场景。SPI（串行外设接口）兼容接口则提供了一种直接的数据采集方法。

二、产品特性

1. 超低功耗

具备纳瓦级的功耗，非常适合对功耗要求极高的应用场景，如电池供电设备。

2. 全差分输入

能够有效抑制共模噪声，提高信号的抗干扰能力。

3. 高吞吐量

可达2MSPS的采样率，满足高速数据采集的需求。

4. 小封装尺寸

X2QFN8封装，节省电路板空间，便于集成到小型设备中。

5. 预校准

减少了用户在使用过程中的校准工作，提高了使用的便利性。

6. SPI接口

方便与其他设备进行通信，实现数据的快速传输。

7. 环保合规

这些设备无铅、无卤素、无溴化阻燃剂，符合RoHS（有害物质限制指令）标准。

三、典型应用

NCD98010/1的低功耗和高性能使其在多个领域都有广泛的应用，包括但不限于：

1. 低功耗数据采集

在一些需要长时间采集数据且对功耗敏感的系统中，如环境监测设备。

2. 电池供电设备

如便携式医疗设备、可穿戴健身设备等，延长电池续航时间。

3. 液位传感器

准确测量液位变化，为工业控制提供可靠数据。

4. 超声波流量计

实现对流量的精确测量。

5. 电机控制

对电机的运行状态进行实时监测和控制。

四、引脚配置与功能

NCD98010/1采用X2QFN8封装，其引脚配置和功能如下：	X2QFN Pin No.	Name	Function
1	CSN	芯片选择（低电平有效）
2	OUT	数据输出（串行化）
3	CLK	时钟
4	VDD	数字I/O电源电压
5	GND	所有引脚的公共接地
6	VCC	模拟电源和ADC参考电压
7	VINP	模拟输入，正信号
8	VINN	模拟输入，负信号

五、电气特性

1. 最大额定值

Rating	Symbol	Value	Unit
电源电压范围	VCC	-0.3至3.63	V
电源电压范围	VDD	-0.3至3.63	V
输入电压范围	VINP	-0.3至3.63	V
输入电压范围	VINN	-0.3至3.63	V
输出电压范围	VOUT	-0.3至3.63	V
CSN输入电压范围	VEN	-0.3至3.63	V
存储温度范围	TSTG	-40至150	°C
焊接时引脚温度（10秒）	TSLD	260	°C
ESD能力，人体模型（注1）	ESD HBM	2.0	kV
ESD能力，带电设备模型（注1）	ESD CDM	500	V
闩锁电流抗扰度（注1）	LU	100	mA

需要注意的是，超过最大额定值表中列出的应力可能会损坏设备。如果超过这些限制，不能保证设备的功能正常，可能会发生损坏并影响可靠性。

2. 推荐工作条件

Rating	Symbol	Min	Max	Unit
模拟电源电压	VCC	1.65	3.6	V
数字I/O电源电压	VDD	1.65	3.6	V
接地	GND	0		V
环境温度	TA	-40	120	°C
结温	TJ	-40	125	°C

超出推荐工作范围的应力可能会影响设备的可靠性。

3. 系统性能

Resolution				12		Bits
积分非线性（注3）	VCC = 1.8 V	INL	-2	0	2	LSB
	VCC = 3.3 V		-2	0	2
差分非线性（注3）	VCC = 1.8 V	DNL	-1	0	1.5	LSB
	VCC = 3.3 V		-1	0	1.5
偏移误差	VCC = 1.8 V	EO		0		LSB
	VCC = 3.3 V		-10	0	10
有效位数	VCC = 1.8 V	ENOB		10
	VCC = 3.3 V		11.2
偏移误差随温度的漂移		dVOS/dT		0.02		ppm/°C
增益误差	VCC = 1.8 V	EG	-0.6	0.3	0.6	%FS
	VCC = 3.3 V		0.3
增益误差随温度的漂移				0.0006		%FS/°C
丢失码				0		Codes

注3：INL和DNL参数通过台架测试验证，不用于生产筛选。

4. 采样动态特性

参数	条件	数值	单位
采集时间		62.5	ns
最大吞吐量率		2	MSPS

5. 动态特性

参数	条件	数值	单位
总谐波失真	fIN = 1 kHz，VCC = 3.3 V	-80	dB
	fIN = 1 kHz，VCC = 1.8 V	-80	dB
信噪比和失真比（注4）	fIN = 1 kHz，VCC = 3.3 V	68 - 69	dB
	fIN = 1 kHz，VCC = 1.8 V	62	dB
无杂散动态范围（注4）	fIN = 1 kHz，VCC = 3.3 V	69 - 80	dB
	fIN = 1 kHz，VCC = 1.8 V	74	dB

注4：SINAD和SFDR在生产时进行测试，并通过与台架测试结果的相关性保证。

六、工作原理

NCD98010/1采用逐次逼近架构，将模拟信号转换为数字信号分两个阶段进行，共需16个时钟周期。第一阶段是差分采样和保持操作，将输入的Vinn和Vinp电压采样到差分电荷再分配电容阵列上。第二阶段实现二进制决策树，对参考电压进行(1/2^N)的分割。内部数字控制块逐位确定数字输出代码中的每一位是高于还是低于采样信号。VCC作为模拟电源和ADC参考，允许最大输入范围为0V至VCC。

七、应用信息

1. 缓冲

许多NCD98010/1的应用受益于差分输入缓冲器。单位增益缓冲器为抗混叠滤波器和2pF的ADC输入电容提供电流驱动，适用于需要非常高输入阻抗的应用。输入缓冲器还可以控制共模电压，通过将(V{CM})设置为VCC/2来最大化ADC的满量程范围。建议在差分模拟输入源需要极高输入阻抗的应用中使用输入缓冲器。输入缓冲器引入的噪声应小于ADC的量化噪声（74dB SNR），以避免成为主导噪声源。使用带宽足够大（> 奈奎斯特频率：(F{SAMPLE} / 2)）且小于1/2 LSB的缓冲器，以避免引入额外的噪声和偏移误差。

2. 抗混叠滤波器

建议使用两个共模滤波器和一个差分滤波器来保持高共模抑制比。这些抗混叠滤波器由(R{CM})、(C{CM})和(C_{DIFF})组成，其截止频率的计算公式如下：

• 共模滤波器的截止频率：(f_{cutoffCM}(HZ)=frac{1}{2picdot R{CM}cdot C_{CM}})
• 差分滤波器的截止频率：(f_{cutoffDIFF}(HZ)=frac{1}{2picdot 2R{CM}cdot C_{DIFF}})

共模滤波器的截止频率不应大于奈奎斯特频率（(F{SAMPLE} / 2)）。通过将差分电容（(C{DIFF})）增大10倍，使差分截止频率比共模截止频率低一个数量级，有助于减少共模滤波器组件失配引起的误差。选择合适的抗混叠滤波器值对于保持最佳性能非常重要。在信号路径中添加电阻会引入噪声，因此应尽量减小(R{CM})的值，以减轻额外的噪声和误差。滤波器电阻引入的热噪声可以通过公式(V{n}(frac{nV}{sqrt{Hz}})=sqrt{4cdot kcdot Tcdot R_{CM}})计算，其中(k = 1.38E - 23 J / K)，(T)为开尔文温度。使用较小的电阻和较大的电容来实现所需的截止频率，有助于减轻噪声和电荷注入。选择抗混叠滤波器组件时，要确保在CSN变低开始转换之前，输入的建立时间足够短，使输入值在所需值的1/2 LSB范围内。

3. 电源去耦

本地ADC电源去耦对于保持高电源抑制比至关重要。对于NCD98010/1，模拟电源（VCC）也是ADC的参考。任何大于1/2 LSB的噪声或漂移都会影响转换器的DNL和INL。建议使用1μF的本地去耦电容。所有去耦电容必须直接连接到低阻抗接地平面，以确保有效去耦。需要短的走线或过孔来最小化额外的串联电感。由于陶瓷电容具有低ESR（等效串联电阻）和ESL（等效串联电感），因此推荐使用。对于涉及宽温度范围的应用，建议使用X7R陶瓷电容。

4. 最小组件实现

对于那些对电路板空间要求较高而对ADC性能要求相对较低的应用，可以简化NCD98010/1的连接图。根据差分模拟输入源的性质，去除输入缓冲器可能是一个选择。但去除抗混叠滤波器会因混叠信号的数字化而降低ENOB。

5. 输出时序/定义

NCD98010/1的输出数据存在1个采样延迟。模拟输入采样的数字数据在一次转换后由SCLK从ADC中时钟输出。

6. 布局指南

理想的PCB布局应在设备下方放置接地平面，并将PCB划分为数字和模拟部分，ADC的模拟输入在一侧，数字接口在另一侧。为避免数字噪声耦合到模拟部分，要注意避免数字信号与模拟输入信号交叉。建议将旁路电容尽可能靠近VCC和VDD引脚放置，并且接地路径应为低电感、低电阻的本地连接。

八、总结

NCD98010/1作为一款12位低功耗SAR ADC，凭借其低功耗、高吞吐量、小封装等特性，在众多应用领域展现出了强大的竞争力。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择和配置相关组件，注意引脚连接、电源去耦、抗混叠滤波等方面的问题，以确保设备能够发挥出最佳性能。同时，遵循合理的PCB布局指南，也有助于提高系统的稳定性和可靠性。希望本文能为电子工程师们在使用NCD98010/1进行设计时提供一些有价值的参考。你在使用这款ADC的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和疑问。