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)換是實(shí)現(xiàn)智能化控制和處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。ADC（模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器）作為這一轉(zhuǎn)換過程的核心器件，其性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）推出的一款高性能ADC——ADC101S021，詳細(xì)解析其特性、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

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器件概述

ADC101S021是一款低功耗、單通道CMOS 10位模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具備高速串行接口。與傳統(tǒng)僅在單一采樣率下規(guī)定性能的做法不同，它在50 ksps至200 ksps的采樣率范圍內(nèi)都有全面的性能指標(biāo)。該轉(zhuǎn)換器基于逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)，并內(nèi)置跟蹤保持電路，能高效準(zhǔn)確地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。它采用6引腳WSON和SOT - 23封裝，適用于工業(yè)溫度范圍（ - 40°C至 + 85°C），為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供了可靠的解決方案。

關(guān)鍵特性

多規(guī)格支持

• 寬電源電壓范圍：支持2.7V - 5.25V的單電源供電，適應(yīng)不同的電源環(huán)境，提高了系統(tǒng)的靈活性。
• 高速接口兼容性：其輸出串行數(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，方便與各種數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行連接。
• 可變功耗管理：具備電源管理功能，正常工作時(shí)，使用 + 3.6V或 + 5.25V電源的功耗分別為2.34 mW和8.9 mW；在電源關(guān)閉模式下，使用 + 5.25V電源時(shí)功耗可低至2.6 μW，有效降低了系統(tǒng)的整體功耗。

高精度性能

從數(shù)據(jù)表中的關(guān)鍵規(guī)格可以看出，ADC101S021在精度方面表現(xiàn)出色。DNL（差分非線性）典型值為 + 0.16 / - 0.09 LSB，INL（積分非線性）典型值為 + 0.14 / - 0.13 LSB，SNR（信噪比）典型值達(dá)到61.6 dB，這些指標(biāo)確保了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

引腳與封裝

引腳說(shuō)明

ADC101S021共有6個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有其特定的功能：

• 模擬輸入輸出：VIN為模擬輸入引腳，可接受0V至VA的輸入電壓；SDATA為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出引腳，在SCLK的下降沿將輸出樣本時(shí)鐘輸出。
• 數(shù)字控制：SCLK為數(shù)字時(shí)鐘輸入引腳，直接控制轉(zhuǎn)換和讀出過程；CS為芯片選擇引腳，在其下降沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過程。
• 電源相關(guān)：VA為正電源引腳，需連接到穩(wěn)定的2.7V - 5.25V電源，并通過1 μF電容和0.1 μF單片電容旁路到GND；GND為電源和信號(hào)的接地引腳。

封裝形式

該器件提供6引腳WSON和SOT - 23兩種封裝形式，用戶可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。不同封裝的熱阻有所差異，6引腳WSON封裝的熱阻為94℃/W，6引腳SOT - 23封裝的熱阻為265℃/W，在設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)需要考慮這些因素。

性能指標(biāo)

靜態(tài)特性

在靜態(tài)特性方面，ADC101S021的分辨率為10位且無(wú)丟失碼。INL和DNL在不同電源電壓范圍內(nèi)都有嚴(yán)格的指標(biāo)要求，例如在VA = + 2.7至 + 3.6V時(shí)，INL最大為±0.7 LSB，DNL最大為±0.6 LSB，這些指標(biāo)保證了轉(zhuǎn)換器在不同工作條件下的線性度。

動(dòng)態(tài)特性

動(dòng)態(tài)特性是衡量ADC性能的重要方面。SINAD（信噪失真比）在VA = + 2.7至5.25V、fIN = 100 kHz、 - 0.02 dBFS條件下，最小值為60.7 dB；SNR最小值為61 dB；THD（總諧波失真）最大值為 - 79 dB；SFDR（無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍）最小值為74 dB；ENOB（有效位數(shù)）最小值為9.8位。這些指標(biāo)表明該轉(zhuǎn)換器在處理動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)具有良好的性能。

電源特性

電源特性直接關(guān)系到系統(tǒng)的功耗和穩(wěn)定性。在正常模式下，不同電源電壓和采樣率下的電源電流和功耗不同，例如在VA = + 5.25V、fSAMPLE = 200 ksps時(shí)，電源電流最大為2.4 mA，功耗最大為12.6 mW；在關(guān)閉模式下，功耗可大幅降低。

應(yīng)用信息

工作模式

ADC101S021有正常模式和關(guān)閉模式兩種工作模式。當(dāng)CS引腳拉低時(shí)，器件進(jìn)入正常模式并開始轉(zhuǎn)換過程；若在CS拉低后的第十個(gè)SCLK下降沿之前將CS拉高，器件將進(jìn)入關(guān)閉模式。通過合理控制兩種模式的時(shí)間比例，系統(tǒng)可以在吞吐量和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。

典型應(yīng)用電路

典型應(yīng)用電路中，通常使用TI的LP2950低壓差電壓調(diào)節(jié)器為ADC提供電源，同時(shí)在電源引腳附近設(shè)置電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行旁路，以減少電源噪聲對(duì)轉(zhuǎn)換性能的影響。該ADC的三線接口可連接到微處理器或DSP，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。

模擬輸入設(shè)計(jì)

模擬輸入部分需要注意ESD保護(hù)和信號(hào)源阻抗。輸入信號(hào)不應(yīng)超過(VA + 300 mV)或(GND - 300 mV)，以免ESD二極管導(dǎo)通影響正常工作。為了消除采樣電容充電引起的失真，建議使用低阻抗源驅(qū)動(dòng)ADC，特別是在采樣交流信號(hào)時(shí)，還需要添加抗混疊濾波器。

數(shù)字輸入輸出設(shè)計(jì)

數(shù)字輸入引腳（SCLK和CS）的最大額定電壓為 + 5.25V（相對(duì)于GND），不受電源電壓VA的限制，這使得ADC可以與各種邏輯電平的系統(tǒng)進(jìn)行接口，提高了其通用性。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

時(shí)序要求

在使用ADC101S021時(shí)，需要嚴(yán)格遵守其時(shí)序要求。例如，CS的最小脈沖寬度為10 ns，CS到SCLK的建立時(shí)間為10 ns，數(shù)據(jù)訪問時(shí)間在不同電源電壓下有所不同等。這些時(shí)序參數(shù)的滿足是保證轉(zhuǎn)換結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

吞吐量計(jì)算

吞吐量取決于SCLK的頻率和兩次轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間間隔。在最大指定SCLK頻率下，使用20 SCLK幀可以獲得最大吞吐量。例如，當(dāng)SCLK為20 MHz時(shí)，最大吞吐量可達(dá)1 MSPS；當(dāng)SCLK為1 MHz時(shí)，吞吐量為50 KSPS。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整時(shí)鐘周期，但要確保滿足時(shí)序參數(shù)。

電源管理

ADC在首次加電或從關(guān)閉模式返回正常模式時(shí)需要一定的上電時(shí)間，相當(dāng)于一次“虛擬”轉(zhuǎn)換。在啟動(dòng)后應(yīng)進(jìn)行一次虛擬轉(zhuǎn)換，以確保后續(xù)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。同時(shí)，要注意在兩次轉(zhuǎn)換之間滿足tQUIET時(shí)間要求。

電源噪聲處理

電源噪聲會(huì)影響ADC的性能，特別是在充電輸出負(fù)載電容時(shí)，會(huì)引起電源電壓的變化，進(jìn)而影響SNR和SINAD性能。為了減少電源噪聲，應(yīng)盡量減小輸出負(fù)載電容，并在ADC輸出端使用100Ω串聯(lián)電阻。

總結(jié)

ADC101S021以其低功耗、高精度、高速接口兼容性和寬電源電壓范圍等優(yōu)點(diǎn)，成為便攜式系統(tǒng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、儀器儀表和控制系統(tǒng)等應(yīng)用的理想選擇。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要充分了解其特性和性能指標(biāo)，嚴(yán)格遵守時(shí)序要求，合理處理電源噪聲，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能為大家在使用ADC101S021進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用這款A(yù)DC時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。