AD7810：高效低功耗10位A/D轉(zhuǎn)換器的深度解析

在電子工程領(lǐng)域，對(duì)于高性能、低功耗A/D轉(zhuǎn)換器的需求始終存在。今天，我們就來(lái)深入探討一款備受關(guān)注的產(chǎn)品——AD7810。它在諸多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出了卓越的性能，下面讓我們一同揭開(kāi)它的神秘面紗。

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產(chǎn)品概述

AD7810是一款高速、低功耗的10位A/D轉(zhuǎn)換器，其工作電源范圍為2.7V至5.5V，涵蓋了較寬的電壓區(qū)間，適用于多種供電環(huán)境。它具備2.3μs的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間，能夠滿(mǎn)足對(duì)轉(zhuǎn)換速度有較高要求的應(yīng)用。芯片采用8引腳的小型封裝，如微型SOIC和DIP等，節(jié)省了電路板空間。此外，它在 - 40°C至 + 105°C的寬溫度范圍內(nèi)都能穩(wěn)定工作，并且具有固有的跟蹤保持功能，內(nèi)置的串行接口與微控制器兼容，還支持轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)的自動(dòng)斷電功能，大大降低了功耗。

技術(shù)亮點(diǎn)剖析

集成度高

AD7810將10位的A/D轉(zhuǎn)換功能、跟蹤保持功能以及高速串行接口集成在一個(gè)8引腳的微型SOIC封裝中，高度的集成化使得工程師在設(shè)計(jì)電路板時(shí)無(wú)需額外配置大量外圍元件，節(jié)省了空間和成本。同時(shí)，它可以將參考電壓(V{REF})連接到電源(V{DD})，從而無(wú)需外部參考電壓源，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

低功耗性能出眾

AD7810采用單電源供電，范圍為2.7V至5.5V，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中典型功耗僅為9mW。尤其在低速轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)啟用自動(dòng)斷電模式，功耗能顯著降低。例如，在吞吐量為10kSPS時(shí)，功耗僅為270μW。這種低功耗特性使得它非常適合電池供電的便攜式設(shè)備，能夠有效延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

自動(dòng)斷電功能實(shí)用

自動(dòng)斷電模式是AD7810的一大特色。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，芯片自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，而在新的轉(zhuǎn)換開(kāi)始前又能迅速“喚醒”。這一功能使得它在電池供電的應(yīng)用場(chǎng)景中表現(xiàn)出色，極大地提高了能源利用效率，降低了整體功耗。

串行接口便捷

其串行接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易用，能夠方便地與大多數(shù)主流微處理器連接，無(wú)需額外的外部電路。這不僅降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

參數(shù)與性能

動(dòng)態(tài)性能

在動(dòng)態(tài)性能方面，當(dāng)輸入頻率(fi = 30kHz)，采樣頻率(f{SAMPLE} = 350kHz)時(shí)，信號(hào)與（噪聲 + 失真）比（SNR）可達(dá)58 - 64dB，總諧波失真（THD）最大為 - 64dB。在雙音測(cè)試中，輸入頻率(f_a = 48kHz)，(f_b = 48.5kHz)時(shí)，二階和三階互調(diào)失真典型值均為 - 67dB。

直流精度

分辨率為10位，相對(duì)精度、差分非線(xiàn)性（DNL）、偏移誤差和增益誤差的最大偏差在±1至±2 LSB之間，并且保證在10位分辨率下無(wú)丟碼現(xiàn)象。

輸入特性

模擬輸入電壓范圍為0V至(V{REF})，輸入泄漏電流最大為±1μA，輸入電容最大為15pF。參考輸入電壓范圍為1.2V至(V{DD})，輸入泄漏電流最大為±3μA，輸入電容最大為20pF。

邏輯特性

邏輯輸入的高電平電壓(V{INH})最小為2.0V，低電平電壓(V{INL})最大為0.4V，輸入電流(I{IN})最大為±1μA，輸入電容(C{IN})最大為8pF。邏輯輸出的高電平電壓(V{OH})最小為2.4V，低電平電壓(V{OL})最大為0.4V，高阻抗泄漏電流最大為±10μA，高阻抗電容最大為15pF。

轉(zhuǎn)換速率

轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為2.3μs，跟蹤/保持采集時(shí)間最大為100ns。

電源特性

電源電壓(V{DD})范圍為2.7 - 5.5V，最大電流(I{DD})為3.5mA，最大功耗為17.5mW。在自動(dòng)斷電模式下，不同吞吐量對(duì)應(yīng)的功耗也有所不同，如1kSPS時(shí)功耗為5μW，10kSPS時(shí)為270μW，100kSPS時(shí)為2.7mW。

工作原理與電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換操作原理

AD7810是基于電荷再分配DAC的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)?V至(V{DD})范圍內(nèi)的模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在采集階段，開(kāi)關(guān)SW2閉合，SW1處于位置A，比較器保持平衡，采樣電容采集(V{IN+})上的信號(hào)。當(dāng)開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)，SW2斷開(kāi)，SW1移動(dòng)到位置B，比較器失去平衡，控制邏輯和電荷再分配DAC通過(guò)對(duì)采樣電容進(jìn)行充電和放電操作，使比較器重新達(dá)到平衡，此時(shí)轉(zhuǎn)換完成，控制邏輯生成ADC輸出代碼。

典型連接與注意事項(xiàng)

在典型連接中，采用兩線(xiàn)制實(shí)現(xiàn)串行接口，將(V{REF})連接到經(jīng)過(guò)良好去耦的(V{DD})引腳，以提供0V至(V{DD})的模擬輸入范圍。當(dāng)首次接通(V{DD})時(shí)，AD7810進(jìn)入低電流的斷電模式，通過(guò)CONVST引腳的上升沿可使其上電。若對(duì)功耗有嚴(yán)格要求，可啟用轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)的自動(dòng)斷電功能，以提高電源效率。

模擬輸入分析

AD7810的模擬輸入采用偽差分對(duì)結(jié)構(gòu)，(V{IN+})相對(duì)于(V{IN})為偽差分信號(hào)。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，采樣電容連接到(V{IN})，這種輸入方式可以消除系統(tǒng)中存在的偏移。但需要注意的是，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中(V{IN})上的信號(hào)變化不能超過(guò)1/2 LSB，否則會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果不準(zhǔn)確。對(duì)于單端操作，(V_{IN})應(yīng)始終連接到地。

采集時(shí)間問(wèn)題

ADC在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后開(kāi)始新的采集階段，直到CONVST信號(hào)的下降沿結(jié)束。采樣電路在轉(zhuǎn)換結(jié)束后存在約100ns的建立時(shí)間，在此期間模擬信號(hào)也在被采集，因此最小采集時(shí)間約為100ns。在采集階段，采樣電容需要充電到最終值的±1/2 LSB以?xún)?nèi)，充電時(shí)間與源阻抗有關(guān)。對(duì)于較小的源阻抗，采樣電路的建立時(shí)間實(shí)際上就是ADC的采集時(shí)間；而當(dāng)源阻抗大于2kΩ時(shí)，充電時(shí)間會(huì)顯著增加。在交流應(yīng)用中，建議始終對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行緩沖，以降低源阻抗，減少采集時(shí)間，同時(shí)在(V_{IN+})上使用一個(gè)外部1nF的電容可以提高性能。

操作模式詳解

模式1（高速采樣）

在這種模式下，AD7810在兩次轉(zhuǎn)換之間不會(huì)斷電，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的吞吐量。通過(guò)在轉(zhuǎn)換結(jié)束前將CONVST信號(hào)置高來(lái)達(dá)到最佳吞吐量。CONVST信號(hào)的下降沿使芯片從跟蹤模式進(jìn)入保持模式，并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為2.3μs。轉(zhuǎn)換完成后，當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果被鎖存到串行移位寄存器中，同時(shí)檢查CONVST信號(hào)的狀態(tài)，若為高電平則防止芯片斷電。CONVST信號(hào)的上升沿使能串行端口，在上升沿之后的任何階段都可以進(jìn)行串行讀取。如果在當(dāng)前轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束前啟動(dòng)串行讀取，輸出的是上一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果；如果在轉(zhuǎn)換結(jié)束后啟動(dòng)讀取，則輸出當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果。但在轉(zhuǎn)換期間進(jìn)行讀取時(shí)，AD7810的動(dòng)態(tài)性能通常會(huì)下降最多3dB。

模式2（自動(dòng)斷電）

在該模式下，芯片在轉(zhuǎn)換結(jié)束后自動(dòng)斷電。具體操作是在轉(zhuǎn)換結(jié)束前保持CONVST信號(hào)為低電平。由于芯片斷電后上電需要約1.5μs的時(shí)間，因此這種模式適用于對(duì)吞吐量要求較低的應(yīng)用，如100kSPS以下。CONVST脈沖的上升沿使芯片上電，上電完成后（約1.5μs）將CONVST信號(hào)置低，下降沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為2.3μs。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，結(jié)果被鎖存到串行移位寄存器中，芯片隨即斷電。在這種模式下，有效轉(zhuǎn)換時(shí)間為上電時(shí)間（1.5μs）和逐次逼近轉(zhuǎn)換時(shí)間（2.3μs）之和。與模式1類(lèi)似，CONVST脈沖的上升沿使能串行端口，如果在上升沿后不久（轉(zhuǎn)換結(jié)束前）啟動(dòng)串行讀取，輸出的是上一次轉(zhuǎn)換的結(jié)果；要讀取當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)果，需要在CONVST信號(hào)下降沿后至少等待2.3μs。需要注意的是，串行讀取不能跨越下一個(gè)CONVST信號(hào)的上升沿，且即使芯片處于斷電狀態(tài)，串行端口仍然可以正常工作，這使得芯片僅在轉(zhuǎn)換時(shí)上電，轉(zhuǎn)換結(jié)束后立即斷電，顯著降低了低速應(yīng)用中的功耗。

微處理器接口設(shè)計(jì)

AD7810的串行接口可以直接連接到多種不同的微處理器。以下是與幾種常見(jiàn)微控制器的接口方法：

與PIC16C6x/7x接口

將PIC16C6x的同步串行端口（SSP）配置為SPI主模式，時(shí)鐘極性位設(shè)為0。通過(guò)向同步串行端口控制寄存器（SSPCON）寫(xiě)入相應(yīng)的值來(lái)完成配置。在硬件連接上，I/O端口RA1用于產(chǎn)生CONVST脈沖并使能AD7810的串行端口。由于該微控制器每次串行傳輸僅能傳輸8位數(shù)據(jù)，因此需要進(jìn)行兩次連續(xù)的讀取操作才能獲取完整的10位數(shù)據(jù)。

與MC68HC11接口

將MC68HC11的串行外設(shè)接口（SPI）配置為主模式（(MSTR = 0)），時(shí)鐘極性位（(CPOL = 0)），時(shí)鐘相位位（(CPHA = 1)）。通過(guò)向SPI控制寄存器（SPCR）寫(xiě)入相應(yīng)的值來(lái)完成配置。

與8051接口

AD7810需要與串行數(shù)據(jù)同步的時(shí)鐘，因此8051的串行接口必須工作在模式0。在該模式下，串行數(shù)據(jù)通過(guò)RXD輸入輸出，串行時(shí)鐘通過(guò)TXD輸出（半雙工）。由于A(yíng)D7810在串行時(shí)鐘的上升沿輸出數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)8051的串行時(shí)鐘進(jìn)行反相。此外，也可以使用8051的數(shù)據(jù)端口實(shí)現(xiàn)串行接口，通過(guò)“位操作”I/O端口（如P1.0）來(lái)生成串行時(shí)鐘，使用另一個(gè)I/O端口（如P1.1）來(lái)讀取數(shù)據(jù)。

總結(jié)

AD7810憑借其高速、低功耗、小封裝和易于使用的特點(diǎn)，在需要10位精度模數(shù)轉(zhuǎn)換的低功耗、手持式便攜式應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，如電池供電的測(cè)試設(shè)備和通信系統(tǒng)等。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，需要充分考慮其各項(xiàng)參數(shù)、操作模式和接口方法，以確保系統(tǒng)能夠發(fā)揮出最佳性能。希望本文能為大家在使用AD7810時(shí)提供一些有益的參考。大家在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中是否遇到過(guò)類(lèi)似芯片的使用問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享！