在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的ADC101C021和ADC101C027這兩款10位I2C兼容ADC，它們?cè)谛阅?、功能和?yīng)用方面都有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

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產(chǎn)品概述

ADC101C021和ADC101C027是低功耗、單片式的10位ADC，工作電壓范圍為+2.7V至+5.5V。它們采用逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)，內(nèi)部集成了跟蹤保持電路，能夠處理高達(dá)11MHz的輸入頻率。這兩款A(yù)DC的一大亮點(diǎn)是具備I2C兼容的串行接口，支持標(biāo)準(zhǔn)（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）三種模式，為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供了靈活的選擇。

核心特性

接口與電源

• I2C兼容接口：支持三種速度模式，方便與各種微控制器和其他數(shù)字設(shè)備進(jìn)行通信。特別是在高速模式下，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸，滿足實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用。
• 寬電源范圍：+2.7V至+5.5V的電源范圍，使得這兩款A(yù)DC可以在多種電源環(huán)境下工作，增加了其適用性。

地址與封裝

• 多地址選擇：VSSOP - 8封裝的ADC101C021提供多達(dá)九個(gè)引腳可選的芯片地址，而ADC101C027的SOT - 6封裝也有三個(gè)引腳可選地址，方便在同一I2C總線上連接多個(gè)設(shè)備。
• 小封裝設(shè)計(jì)：采用SOT - 6和VSSOP - 8兩種小型封裝，節(jié)省了電路板空間，適合對(duì)尺寸要求較高的便攜式設(shè)備。

功能特性

• 超限報(bào)警功能：當(dāng)模擬輸入超出可編程的上限或下限值時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警中斷，方便系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。
• 自動(dòng)掉電模式：在不進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入掉電模式，降低功耗，延長(zhǎng)電池供電設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。
• ESD保護(hù)：SDA和SCL引腳具備±8kV HBM ESD保護(hù)，增強(qiáng)了設(shè)備的可靠性和抗干擾能力。

關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

轉(zhuǎn)換性能

• 分辨率：10位分辨率，無(wú)丟失碼，能夠提供較高的轉(zhuǎn)換精度。
• 轉(zhuǎn)換時(shí)間：典型值為1μs，轉(zhuǎn)換速度快，可滿足高速采樣的需求。
• 吞吐量：最大吞吐量可達(dá)188.9 kSPS，保證了數(shù)據(jù)的快速采集和處理。

線性度與誤差

• 積分非線性（INL）和微分非線性（DNL）：最大±0.5 LSB，保證了轉(zhuǎn)換結(jié)果的線性度和準(zhǔn)確性。
• 偏移誤差和增益誤差：在不同的工作條件下，都能將誤差控制在較小范圍內(nèi)，提高了測(cè)量的精度。

功耗

• 在22kSPS采樣率下，3V供電時(shí)典型功耗為0.26mW，5V供電時(shí)典型功耗為0.78mW，功耗較低。

工作原理與功能描述

轉(zhuǎn)換操作

ADC101C021在轉(zhuǎn)換過(guò)程中分為跟蹤和保持兩種模式。在跟蹤模式下，采樣電容連接到模擬輸入通道，比較器輸入被均衡；在保持模式下，采樣電容連接到地，比較器失衡，控制邏輯通過(guò)電荷再分配DAC對(duì)采樣電容進(jìn)行充電或放電，直到比較器平衡，此時(shí)DAC的數(shù)字輸入即為模擬輸入電壓的數(shù)字表示。

模擬輸入

模擬輸入范圍為0V至$V_{A}$，輸入等效電路中的二極管提供ESD保護(hù)，但不建議用于鉗位輸入信號(hào)。為了獲得最佳性能，建議使用低阻抗源驅(qū)動(dòng)ADC，必要時(shí)可添加緩沖放大器和濾波器來(lái)減少噪聲。

參考電壓

ADC101C021使用電源$V{A}$作為參考電壓，因此$V{A}$必須保持穩(wěn)定且無(wú)噪聲。建議使用低輸出阻抗的電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)參考電壓，以確保轉(zhuǎn)換的精度。

內(nèi)部寄存器

ADC101C021擁有8個(gè)內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器和一個(gè)地址指針，這些寄存器用于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果、設(shè)置報(bào)警閾值、配置設(shè)備操作等。除了轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器為只讀寄存器外，其他寄存器均可讀寫。

串行接口

I2C兼容接口支持標(biāo)準(zhǔn) - 快速模式和高速模式。在通信過(guò)程中，需要使用上拉電阻或電流源將SCL和SDA總線拉高。通過(guò)發(fā)送從地址和讀寫位，主設(shè)備可以與ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

報(bào)警功能

報(bào)警功能是這兩款A(yù)DC的重要特性之一。當(dāng)測(cè)量電壓超出$V{HIGH}$或低于$V{LOW}$時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警條件，報(bào)警狀態(tài)會(huì)在報(bào)警狀態(tài)寄存器、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器和報(bào)警輸出引腳（如果啟用）中體現(xiàn)。報(bào)警條件可以通過(guò)寫入相應(yīng)的標(biāo)志位或滿足一定的電壓條件來(lái)清除。

自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式

自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式允許ADC在無(wú)需主設(shè)備頻繁發(fā)送“讀取”指令的情況下，持續(xù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在該模式下，內(nèi)部振蕩器始終啟用，ADC按照設(shè)定的采樣率對(duì)輸入進(jìn)行采樣，并更新轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器和狀態(tài)寄存器。同時(shí)，超限報(bào)警功能仍然有效，方便系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入信號(hào)。

應(yīng)用電路與設(shè)計(jì)建議

典型應(yīng)用電路

在典型應(yīng)用電路中，模擬電源需要通過(guò)靠近ADC的電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行旁路，以確保$V{A}$的穩(wěn)定性?？偩€拉電阻應(yīng)連接到控制器的電源，并與$V{A}$保持相同的電位，以保證邏輯電平的兼容性。對(duì)于不同的I2C總線速度模式，建議選擇合適的上拉電阻值。

緩沖輸入電路

對(duì)于單端傳感器接口應(yīng)用，可以使用緩沖輸入電路。通過(guò)使用National Semiconductor LMP7731作為緩沖放大器，為ADC提供低阻抗輸入。同時(shí)，LM4132作為參考源，能夠提供高精度的參考電壓。

智能電池監(jiān)測(cè)

ADC101C021可以輕松實(shí)現(xiàn)智能電池監(jiān)測(cè)功能。通過(guò)與LP2980固定參考和電阻分壓器配合使用，利用“超限報(bào)警”功能實(shí)現(xiàn)窗口監(jiān)控。在電池充電和放電過(guò)程中，能夠及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，幫助控制器優(yōu)化電池管理。

涓流充電控制

在電池放電過(guò)程中，ADC101C021可以用于控制涓流充電，保持電池接近滿容量。當(dāng)報(bào)警輸出激活時(shí)，電池開(kāi)始充電，避免過(guò)充和損壞電池。

布局、接地和旁路

為了獲得最佳的精度和最小的噪聲，PCB設(shè)計(jì)應(yīng)將模擬和數(shù)字區(qū)域分開(kāi)，采用單獨(dú)的模擬和數(shù)字電源平面，并使用單一的接地平面。ADC的電源應(yīng)通過(guò)4.7μF和0.1μF的電容進(jìn)行旁路，同時(shí)避免模擬和數(shù)字信號(hào)的交叉，控制時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線的阻抗。

總結(jié)

ADC101C021和ADC101C027以其高性能、低功耗、豐富的功能和靈活的接口，成為了電池供電設(shè)備、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、便攜式儀器等領(lǐng)域的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇封裝、配置寄存器、設(shè)計(jì)電路布局，以充分發(fā)揮這兩款A(yù)DC的優(yōu)勢(shì)。你在使用類似ADC時(shí)遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。