AD4697/AD4698：高性能 16 位 SAR ADC 的深度解析

在電子工程師的日常工作中，模擬 - 數字轉換器（ADC）扮演著至關重要的角色。今天我們要深入探討的 AD4697/AD4698，是一款集高性能、低功耗和高集成度于一身的 16 位、8 通道、500 kSPS/1 MSPS 多路復用采樣 SAR ADC，具有 “Easy Drive” 特性和豐富的數字功能，非常適合空間受限、多通道的精密數據采集系統(tǒng)與監(jiān)測電路。

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AD4697/AD4698 的特性亮點

輕松驅動，簡化設計

• 降低驅動要求：“Easy Drive” 特性顯著降低了對模擬輸入和參考驅動的要求。模擬輸入高阻抗（High - Z）模式和參考輸入高阻抗模式的應用，簡化了系統(tǒng)設計，減少了組件數量，提高了通道密度，同時還可去除對專用高速 ADC 驅動器和參考緩沖器的需求。
• 內置參考緩沖器：WLCSP 封裝選項中包含一個片上參考緩沖器，能提供真正的緩沖參考輸入，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 過壓保護：每個模擬輸入都具備高達 5 mA 的過壓保護功能。當輸入電壓超過保護閾值時，過壓保護電路會迅速啟動，將電壓限制在安全范圍內，避免芯片因過壓而損壞。
• 長采集階段：在 1 MSPS 采樣率下，采集階段占周期時間的比例 ≥71.5%（715 ns/1000 ns），能更充分地采集輸入信號，保證轉換精度。

卓越性能，穩(wěn)定可靠

• 采樣率可選：AD4697 采樣率為 500 kSPS，AD4698 采樣率為 1 MSPS，可根據不同應用需求靈活選擇。
• 高精度轉換：積分非線性誤差（INL）最大為 ±1 LSB，保證 16 位無失碼轉換，確保了轉換結果的準確性。典型的信納比（SINAD）在輸入頻率為 1 kHz 時達到 93 dB，過采樣動態(tài)范圍在過采樣比（OSR）為 64 時可達 111.2 dB。
• 多種輸出模式：支持單 SDO、雙 SDO 和四 SDO 模式，可根據實際需求選擇合適的輸出方式，提高數據傳輸效率。

小封裝，高密度

提供 24 引腳、4.00 mm × 4.00 mm LFCSP 和 36 引腳、2.960 mm × 2.960 mm WLCSP 兩種封裝形式，滿足不同空間需求，適合對尺寸要求嚴格的應用場景。

增強數字功能，靈活高效

• 快速首轉換：首次轉換精確，無延遲或流水線延遲，能迅速響應輸入信號的變化，適用于對實時性要求較高的應用。
• 低時鐘速率：快速的轉換時間和雙/四 SDO 模式允許使用較低的 SPI 時鐘速率，降低了系統(tǒng)的時鐘頻率要求，減少了功耗和電磁干擾。
• 可定制通道序列器：用戶可以根據實際需求定制通道序列，實現(xiàn)對不同通道的靈活采樣，提高了系統(tǒng)的靈活性和適應性。
• 片上過采樣與抽取：支持對每個模擬輸入通道進行過采樣和抽取操作，可降低系統(tǒng)的有效高斯噪聲，提高分辨率和動態(tài)范圍。
• 閾值檢測報警：能為每個模擬輸入設置可編程的閾值檢測功能，當輸入信號超出設定閾值時，會發(fā)出報警信號，方便用戶及時發(fā)現(xiàn)異常情況。
• 偏移和增益校正：具備對每個模擬輸入的一階偏移和增益校正功能，可以對系統(tǒng)中的一階非理想性進行校正，保證轉換結果的準確性。
• 自主轉換模式：支持自主轉換（自動循環(huán)）模式，可根據預設的參數自動進行轉換操作，減少了對外部控制信號的依賴，提高了系統(tǒng)的自主性和穩(wěn)定性。

低功耗，寬溫范圍

• 功耗低：在 1 MSPS 采樣率下功耗為 8 mW，500 kSPS 采樣率下功耗為 4 mW；內部 LDO 禁用時，待機功耗僅為 4 μW。
• 溫度適應性強：工作溫度范圍為 - 40°C 至 +125°C，能在各種惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。

工作原理剖析

轉換器操作

AD4697/AD4698 采用基于 SAR 的 ADC 核心，利用電荷再分配數模轉換器（DAC）將輸入電壓量化為輸出代碼。轉換過程分為采集階段和轉換階段。在采集階段，電容陣列獲取由內部多路復用器選擇的模擬輸入通道上的電壓；轉換階段，ADC 核心對輸入電壓進行采樣并生成相應的輸出代碼結果。

模擬輸入設計

模擬輸入（IN0 至 IN7 和 COM）通過內部低串擾多路復用器路由到 ADC 核心輸入。模擬輸入的阻抗可建模為引腳電容 ((C{PIN})) 與由 (R{IN}) 和 (C_{DAC}) 串聯(lián)組成的網絡的并聯(lián)組合。每個模擬輸入都有獨立的過壓保護鉗位電路，能有效保護芯片免受直流過壓條件的影響。

通道配置選項

器件提供多種通道配置選項，包括引腳配對分配和信號極性模式。引腳配對選項有 IN0 至 IN7 與 REFGND 配對、與 COM 配對以及偶數編號輸入與下一個最高奇數編號輸入配對等。信號極性模式分為單極性模式和偽雙極性模式，可根據實際需求選擇不同的模式。

參考電壓輸入

(V_{REF}) 設置 ADC 的滿量程電壓，ADC 核心在轉換過程的位試驗中對參考輸入（REF）上的電壓進行采樣，以確定輸出代碼結果。器件兼容 2.4 V 至 5.1 V 的參考電壓，REF 輸入高阻抗模式和內部參考緩沖器的應用，簡化了參考電路的設計。

電源管理

器件具有三個電源引腳：模擬電源（AVDD）、ADC 核心電源（VDD）和數字輸入/輸出接口電源（VIO），還包含一個內部 LDO，可提供更廣泛的電源電壓選擇。電源排序方面，VIO、VDD 和 AVDD 之間的電源排序相互獨立，且器件在較寬的頻率范圍內對電源紋波不敏感。

應用電路設計要點

模擬前端設計

• 外部 RC 濾波器：由外部電阻 (R{EXT}) 和電容 (C{EXT}) 組成的低通濾波器，可降低 AFE 電路的寬帶噪聲，減少模擬輸入處的非線性電壓跳變，并保護模擬輸入免受過壓事件的影響。
• 信號穩(wěn)定要求：為實現(xiàn)器件的指定性能，多路復用器開關閉合時產生的電壓跳變（kickback）必須在下次轉換階段開始前（即下一個 CNV 上升沿）穩(wěn)定到 ADC 核心的半個 LSB 以內。模擬輸入高阻抗模式可顯著減少這種電壓跳變的幅度，降低對 AFE 帶寬的要求。
• AFE 噪聲考慮：AFE 噪聲的大小直接影響整個 AD4697/AD4698 信號鏈的動態(tài)范圍和 SNR 性能。在設計 AFE 電路時，應選擇合適的組件和配置，以達到系統(tǒng)的目標噪聲指標。

參考電路設計

參考電路必須具備足夠的噪聲性能、精度、漂移和信號穩(wěn)定特性，以確保 (V_{REF}) 在 ADC 轉換過程中保持穩(wěn)定。REF 輸入高阻抗模式和內部參考緩沖器的使用，可降低對參考電路的驅動要求。

數字接口操作

• ADC 轉換啟動信號選項：CNV 輸入作為邊沿觸發(fā)的中斷引腳，指示 ADC 核心進行轉換操作。其信號周期決定了器件的采樣率，必須符合相應的規(guī)格要求。
• SPI 外設連接：器件提供多種串行數據輸出模式，可根據實際需求選擇合適的連接方式。在設計時，建議在相關引腳添加上拉電阻，確保信號的穩(wěn)定性。
• SPI 外設同步：在轉換模式下，SPI 傳輸必須在 (t{CONVERT}) 時間過后開始，并在 (t{SCKCNV}) 時間之前完成，以確保與 CNV 信號同步?？赏ㄟ^多種方式實現(xiàn) SPI 與 ADC 轉換時序的同步，如利用倒計時定時器、忙指示或閾值檢測報警指示等。

寄存器配置

AD4697/AD4698 具有多個可編程配置寄存器，用于監(jiān)控器件狀態(tài)和配置功能。這些寄存器的配置直接影響器件的工作模式和性能，因此在使用時必須根據具體應用需求進行正確設置。

寄存器概述

寄存器映射內存空間劃分為字節(jié)，每個字節(jié)有唯一地址。寄存器分為單字節(jié)和多字節(jié)寄存器，讀寫操作需通過 SPI 進行。部分寄存器包含只讀、讀寫或寫 1 清 0 位，使用時需注意其訪問權限。

詳細寄存器描述

不同寄存器具有不同的功能，如 SPI 配置寄存器用于設置 SPI 協(xié)議相關參數，狀態(tài)寄存器用于監(jiān)控器件狀態(tài)，通道配置寄存器用于設置通道相關參數等。具體的位描述和功能在文檔中有詳細說明，工程師在配置時應仔細參考。

應用場景廣泛

基于其卓越的性能和豐富的功能，AD4697/AD4698 在多個領域都有廣泛的應用前景，如光電二極管監(jiān)測、醫(yī)療儀器、電子測試與測量、自動化測試設備、儀器儀表和過程控制以及電池供電設備等。

在實際應用中，電子工程師需要根據具體的應用需求，合理設計外部電路，正確配置寄存器，以充分發(fā)揮 AD4697/AD4698 的性能優(yōu)勢。同時，要注意 PCB 布局和電源管理等方面的問題，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能為大家在使用 AD4697/AD4698 時提供一些有益的參考和幫助。你在使用這類 ADC 時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。