引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）扮演著至關(guān)重要的角色，它是連接現(xiàn)實(shí)世界模擬信號(hào)與數(shù)字系統(tǒng)的橋梁。TI公司的ADC124S051就是一款備受關(guān)注的低功耗、四通道CMOS 12位A/D轉(zhuǎn)換器，具有高速串行接口，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。本文將對(duì)ADC124S051進(jìn)行全面深入的分析，希望能為電子工程師們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)中提供有價(jià)值的參考。

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產(chǎn)品概述

ADC124S051是一款功能強(qiáng)大的A/D轉(zhuǎn)換器，與傳統(tǒng)僅在單一采樣率下規(guī)定性能的轉(zhuǎn)換器不同，它在200 ksps至500 ksps的采樣率范圍內(nèi)都有全面的性能規(guī)格。其基于逐次逼近寄存器架構(gòu)，內(nèi)置跟蹤保持電路，最多可接受四個(gè)輸入信號(hào)，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(jiàn)的DSP串行接口兼容。此外，它采用單電源供電，電源電壓范圍為2.7V - 5.25V，具有可變的電源管理功能，能有效降低功耗。

關(guān)鍵特性與規(guī)格

特性亮點(diǎn)

• 多通道設(shè)計(jì)：具備四個(gè)輸入通道，可同時(shí)處理多個(gè)模擬信號(hào)，大大提高了系統(tǒng)的集成度和處理能力。
• 寬采樣率范圍：在200 ksps至500 ksps的采樣率范圍內(nèi)都能穩(wěn)定工作，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
• 可變電源管理：支持單電源供電，電壓范圍為2.7V - 5.25V，且具有低功耗特性，正常工作時(shí)，3V電源下功耗僅為3.0 mW，5V電源下為10.0 mW；在掉電模式下，3V電源時(shí)功耗降至0.14 μW，5V電源時(shí)為0.32 μW。
• 高兼容性：輸出串行數(shù)據(jù)與多種標(biāo)準(zhǔn)接口兼容，方便與其他數(shù)字設(shè)備進(jìn)行連接和通信。

關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

引腳說(shuō)明

電氣特性

靜態(tài)特性

ADC124S051在靜態(tài)特性方面表現(xiàn)出色，分辨率達(dá)到12位且無(wú)丟失碼，積分非線性（INL）典型值為±0.5 LSB，差分非線性（DNL）典型值為+0.7 / ?0.4 LSB，偏移誤差（VOFF）典型值為+0.3 LSB，通道間偏移誤差匹配（OEM）典型值為±0.1 LSB，滿量程誤差（FSE）典型值為 - 0.5 LSB，通道間滿量程誤差匹配（FSEM）典型值為+0.1 LSB。這些特性保證了轉(zhuǎn)換器在靜態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的高精度和穩(wěn)定性。

動(dòng)態(tài)特性

在動(dòng)態(tài)特性方面，信號(hào) - 噪聲加失真比（SINAD）典型值為72 dB，信號(hào) - 噪聲比（SNR）典型值為72.5 dB，總諧波失真（THD）典型值為 - 84 dB，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）典型值為86 dB，有效位數(shù)（ENOB）典型值為11.7位。此外，通道間串?dāng)_典型值為 - 86 dB，互調(diào)失真（IMD）表現(xiàn)也較為優(yōu)秀。這些參數(shù)表明ADC124S051在處理動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)具有良好的性能，能夠有效抑制噪聲和失真。

模擬輸入特性

模擬輸入范圍為0V至VA，直流泄漏電流（IDCL）典型值為+0.02 μA，輸入電容在跟蹤模式下為33 pF，保持模式下為3 pF。為了獲得最佳性能，建議使用低阻抗源驅(qū)動(dòng)ADC，以減少采樣電容充電引起的失真，同時(shí)在采樣動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)，可添加帶通或低通濾波器來(lái)降低諧波和噪聲。

數(shù)字輸入輸出特性

數(shù)字輸入高電壓（VIH）在不同電源電壓下有不同要求，輸入低電壓（VIL）典型值為0.8V，輸入電流（LIN）典型值為+0.02 μA，數(shù)字輸入電容（GIND）典型值為2 pF。數(shù)字輸出高電壓（VOH）和低電壓（VOL）也有相應(yīng)的規(guī)格，三態(tài)泄漏電流（IOZH、IOZL）典型值為0.005 μA，三態(tài)輸出電容（COUT）典型值為2 pF。

電源特性

電源電壓范圍為2.7V - 5.25V，正常模式下，5.25V電源、500 ksps采樣率時(shí)，電源電流典型值為1.9 mA；3.6V電源、500 ksps采樣率時(shí)，電源電流典型值為0.84 mA。掉電模式下，5.25V電源時(shí)電源電流為60 nA，3.6V電源時(shí)為38 nA。正常模式下，5.25V電源時(shí)功耗典型值為10 mW，3.6V電源時(shí)為3.0 mW；掉電模式下，5.25V電源時(shí)功耗為0.32 μW，3.6V電源時(shí)為0.14 μW。

交流電氣特性

最大時(shí)鐘頻率范圍為3.2 MHz至8 MHz，采樣率范圍為200 ksps至500 ksps，轉(zhuǎn)換時(shí)間為13個(gè)SCLK周期，SCLK占空比在8 MHz時(shí)鐘頻率下為50%，跟蹤/保持采集時(shí)間為3個(gè)SCLK周期，吞吐量時(shí)間為16個(gè)SCLK周期。

工作原理

ADC124S051的工作過(guò)程分為跟蹤模式和保持模式。在跟蹤模式下，開(kāi)關(guān)SW1將采樣電容連接到四個(gè)模擬輸入通道之一，SW2平衡比較器輸入，該狀態(tài)持續(xù)前三個(gè)SCLK周期。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，控制邏輯指示電荷再分配DAC向采樣電容添加固定電荷量，直到比較器平衡，此時(shí)DAC的數(shù)字字即為模擬輸入電壓的數(shù)字表示，該狀態(tài)從第四個(gè)SCLK周期持續(xù)到第十六個(gè)SCLK周期。

應(yīng)用指南

操作要點(diǎn)

• 時(shí)鐘和芯片選擇：CS下降沿啟動(dòng)串行幀，每個(gè)幀應(yīng)包含16個(gè)SCLK周期的整數(shù)倍。SCLK控制轉(zhuǎn)換過(guò)程和串行數(shù)據(jù)時(shí)序，DOUT輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，DIN輸入控制寄存器數(shù)據(jù)。
• 數(shù)據(jù)輸入：每次轉(zhuǎn)換時(shí)，在CS下降沿后的前8個(gè)SCLK上升沿將數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入到DIN，指示下一次轉(zhuǎn)換選擇的輸入通道。
• 電源管理：CS為高電平時(shí)，ADC進(jìn)入掉電模式，可通過(guò)減少單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)換次數(shù)來(lái)降低功耗。

典型應(yīng)用電路

典型應(yīng)用電路中，可使用LP2950低 dropout電壓調(diào)節(jié)器為ADC124S051供電，并在電源引腳附近添加電容網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行旁路。由于ADC的參考電壓為電源電壓，為減少電源噪聲對(duì)性能的影響，建議使用專用線性穩(wěn)壓器或進(jìn)行充分的去耦處理。同時(shí)，可將四 - 線接口連接到微處理器或DSP。

輸入輸出注意事項(xiàng)

• 模擬輸入：模擬輸入通道的ESD保護(hù)二極管不能用于鉗位輸入信號(hào)，輸入電壓不應(yīng)超過(guò)(VA + 300 mV)或(GND - 300 mV)。為獲得最佳性能，應(yīng)使用低阻抗源驅(qū)動(dòng)ADC，并添加濾波器。
• 數(shù)字輸入輸出：數(shù)字輸出DOUT受電源電壓VA限制，數(shù)字輸入引腳一般不會(huì)發(fā)生閂鎖現(xiàn)象，但不建議在VA之前對(duì)SCLK、CS和DIN進(jìn)行斷言。

電源管理與噪聲考慮

• 電源管理：可通過(guò)調(diào)整SCLK頻率和轉(zhuǎn)換次數(shù)來(lái)平衡吞吐量和功耗，正常模式和掉電模式的功耗差異較大，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。
• 電源噪聲：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SNR和SINAD性能。為降低噪聲，應(yīng)盡量減小輸出負(fù)載電容，若負(fù)載電容大于35 pF，可在ADC輸出端添加100 Ω串聯(lián)電阻。

封裝與布局

封裝信息

ADC124S051采用10引腳VSSOP封裝，有多種可訂購(gòu)的零件編號(hào)可供選擇，不同編號(hào)在包裝數(shù)量、載體、RoHS合規(guī)性等方面可能存在差異。

布局建議

在進(jìn)行PCB布局時(shí)，應(yīng)注意電源引腳的旁路電容應(yīng)盡量靠近ADC，以減少電源噪聲。同時(shí)，模擬輸入和數(shù)字信號(hào)應(yīng)分開(kāi)布線，避免相互干擾。此外，參考相關(guān)的封裝尺寸圖、示例電路板布局、焊盤(pán)圖案示例和模板設(shè)計(jì)等資料，確保布局的正確性和可靠性。

總結(jié)

ADC124S051以其多通道設(shè)計(jì)、寬采樣率范圍、低功耗和高兼容性等優(yōu)點(diǎn)，成為眾多應(yīng)用場(chǎng)景下的理想選擇。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師們需要充分了解其特性和規(guī)格，合理進(jìn)行引腳連接、電源管理和布局設(shè)計(jì)，以確保ADC的性能得到充分發(fā)揮。希望本文能為大家在使用ADC124S051進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有益的幫助。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。