在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，而A/D轉(zhuǎn)換器正是實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的核心部件。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）推出的一款高性能單通道12位A/D轉(zhuǎn)換器——ADC121S021。

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一、ADC121S021簡(jiǎn)介

ADC121S021是一款低功耗、單通道CMOS 12位模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具備高速串行接口。它采用逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)，并內(nèi)置跟蹤保持電路，能在50 ksps至200 ksps的采樣率范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。該轉(zhuǎn)換器采用6引腳WSON和SOT - 23封裝，可在 - 40°C至85°C的工業(yè)溫度范圍內(nèi)正常運(yùn)行。

二、關(guān)鍵特性

2.1 多采樣率指定

與傳統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器僅在單一采樣率下指定性能不同，ADC121S021在50 ksps至200 ksps的采樣率范圍內(nèi)都有完整的性能指標(biāo)。這使得它在不同應(yīng)用場(chǎng)景下都能靈活調(diào)整采樣率，滿足多樣化的需求。

2.2 可變電源管理

ADC121S021支持2.7 V至5.25 V的單電源供電，正常工作時(shí)，使用3.6 V電源的功耗典型值為1.5 mW，使用5.25 V電源的功耗典型值為7.9 mW。此外，它還具備掉電功能，使用5.25 V電源時(shí)，掉電模式下的功耗可低至2.6 μW，有效降低了系統(tǒng)的整體功耗。

2.3 串行數(shù)據(jù)兼容性

輸出的串行數(shù)據(jù)為直二進(jìn)制格式，與SPI、QSPI、MICROWIRE和許多常見的DSP串行接口兼容，方便與各種微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行連接，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.4 高精度性能

典型的DNL（差分非線性）為0.45和 - 0.25 LSB，INL（積分非線性）為0.45和 - 0.4 LSB，SNR（信噪比）為72.3 dB，保證了轉(zhuǎn)換的高精度和低誤差。

三、技術(shù)規(guī)格

3.1 絕對(duì)最大額定值

模擬電源電壓VA范圍為 - 0.3 V至6.5 V，任何數(shù)字引腳和模擬引腳相對(duì)于GND的電壓范圍為 - 0.3 V至6.5 V或（VA + 0.3 V），輸入電流限制在±10 mA，封裝輸入電流最大為20 mA，最大結(jié)溫為150°C，存儲(chǔ)溫度范圍為 - 65°C至150°C。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些額定值，以確保器件的安全和可靠性。

3.2 ESD（靜電放電）額定值

人體模型（HBM）的ESD耐壓為 + 3500 V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 + 1250 V，機(jī)器模式（MM）為 + 300 V。雖然器件具備一定的ESD保護(hù)能力，但在實(shí)際操作中，仍需采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施，避免靜電對(duì)器件造成損壞。

3.3 推薦工作條件

工作溫度范圍為 - 40°C至85°C，電源電壓VA為2.7 V至5.25 V，數(shù)字輸入引腳電壓為 - 0.3 V至5.25 V，模擬輸入引腳電壓為0 V至VA，時(shí)鐘頻率為0.025 MHz至20 MHz，采樣率最大為1 Msps。在這些條件下工作，器件能發(fā)揮出最佳性能。

3.4 熱信息

不同封裝形式的熱阻參數(shù)有所不同，如DBV（SOT - 23）封裝的結(jié)到環(huán)境熱阻為185°C/W，NGF（WSON）封裝為83.7°C/W。了解這些熱阻參數(shù)有助于進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，確保器件在正常溫度范圍內(nèi)工作。

3.5 電氣特性

包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換器特性、模擬輸入特性、數(shù)字輸入和輸出特性以及電源特性等。例如，分辨率為12位無丟失碼，在不同電源電壓和溫度條件下，INL、DNL、SNR等參數(shù)都有相應(yīng)的典型值和極限值。這些電氣特性是評(píng)估器件性能的重要依據(jù)。

3.6 時(shí)序要求

規(guī)定了CS脈沖寬度、CS到SCLK的建立時(shí)間、數(shù)據(jù)訪問時(shí)間等一系列時(shí)序參數(shù)。正確理解和滿足這些時(shí)序要求，對(duì)于保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。

四、功能模式

4.1 正常模式

當(dāng)CS引腳拉低時(shí)，ADC進(jìn)入正常模式并開始轉(zhuǎn)換過程。為了獲得最快的吞吐量，應(yīng)始終將ADC保持在正常模式，即CS引腳在轉(zhuǎn)換開始后的第10個(gè)SCLK下降沿之后仍保持低電平。在正常模式下，16個(gè)SCLK周期可讀取一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換字，轉(zhuǎn)換完成后，SDATA引腳返回高阻態(tài)。

4.2 掉電模式

如果在CS引腳拉低后的第10個(gè)SCLK下降沿之前將CS引腳拉高，ADC將進(jìn)入掉電模式。在掉電模式下，所有模擬電路關(guān)閉，功耗顯著降低。要退出掉電模式，只需將CS引腳再次拉低，但首次轉(zhuǎn)換結(jié)果可能無效，第二次轉(zhuǎn)換結(jié)果才是有效的。

五、應(yīng)用信息

5.1 應(yīng)用原理

ADC121S021基于電荷分配數(shù)模轉(zhuǎn)換器核心的逐次逼近型模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器。在跟蹤模式下，開關(guān)SW1將采樣電容連接到輸入，SW2平衡比較器輸入；在保持模式下，SW1將采樣電容連接到地，保持采樣電壓，SW2使比較器失衡，控制邏輯通過調(diào)整電荷分配DAC來平衡比較器，最終得到模擬輸入電壓的數(shù)字表示。

5.2 典型應(yīng)用

以德州儀器LP2950低壓差電壓調(diào)節(jié)器為例，為ADC提供電源，并通過靠近ADC的電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行旁路。由于ADC的參考電壓為電源電壓，因此電源上的任何噪聲都會(huì)影響器件的噪聲性能。為了降低電源噪聲，可使用專用的線性穩(wěn)壓器或提供足夠的去耦措施。此外，還可使用精密參考源作為電源，以提高性能。

5.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在設(shè)計(jì)過程中，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 抗混疊濾波器：為了避免采樣過程中的混疊現(xiàn)象，必須在ADC輸入處放置抗混疊濾波器，可選擇單極點(diǎn)低通濾波器，其極點(diǎn)位置應(yīng)滿足相關(guān)公式要求。
• 模擬輸入：模擬輸入信號(hào)不能超過（VA + 300 mV）或（GND - 300 mV），否則ESD二極管會(huì)導(dǎo)通，導(dǎo)致器件工作不穩(wěn)定。同時(shí)，應(yīng)使用低阻抗源驅(qū)動(dòng)ADC，以減少采樣電容充電引起的失真。
• 數(shù)字輸入和輸出：數(shù)字輸入引腳的電壓限制為5.25 V，與模擬輸入的最大額定值不同，這使得ADC可以與各種邏輯電平的設(shè)備接口。
• 電源管理：ADC上電或從掉電模式返回正常模式時(shí)，需要進(jìn)行一次虛擬轉(zhuǎn)換，之后才能正常工作。在正常模式下連續(xù)運(yùn)行時(shí)，最大吞吐量為fSCLK / 20?？赏ㄟ^調(diào)整SCLK頻率和轉(zhuǎn)換次數(shù)來平衡吞吐量和功耗。

六、布局和電源建議

6.1 布局指南

• 接地設(shè)計(jì)：接地應(yīng)采用低阻抗連接，盡量縮短接地連接，使用多個(gè)過孔并聯(lián)以降低接地阻抗。可采用單一的模擬和數(shù)字接地平面，避免接地環(huán)路。
• 信號(hào)隔離：如果應(yīng)用中需要隔離，可對(duì)ADC和控制器之間的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離。若使用外部晶體提供時(shí)鐘，應(yīng)將晶體和負(fù)載電容直接連接到ADC引腳，并使用短而直接的走線。
• 電源旁路：電源引腳應(yīng)使用低ESR陶瓷電容進(jìn)行旁路，旁路電容應(yīng)盡量靠近電源引腳，確保電源電流先通過旁路電容再到達(dá)電源引腳，以提高旁路效果。

6.2 電源噪聲考慮

輸出負(fù)載電容的充放電會(huì)導(dǎo)致電源電壓變化和地彈噪聲，影響ADC的噪聲性能。因此，應(yīng)盡量減小輸出負(fù)載電容，并在ADC輸出端使用100 Ω的串聯(lián)電阻，以限制輸出電容的充放電電流，提高噪聲性能。

七、總結(jié)

ADC121S021憑借其多采樣率指定、可變電源管理、高精度性能和廣泛的接口兼容性等優(yōu)點(diǎn)，成為了許多應(yīng)用場(chǎng)景下的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要深入理解其技術(shù)規(guī)格、功能模式和應(yīng)用要點(diǎn)，合理進(jìn)行布局和電源設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換。大家在使用ADC121S021的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或者有什么獨(dú)特的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)?？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。