在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接现实世界模拟信号与数字系统的关键桥梁。今天，我们聚焦于德州仪器（TI）的ADC121C021、ADC121C021Q和ADC121C027这三款12位ADC，深入探讨它们的特性、应用及设计要点。

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产品概述

ADC121C021、ADC121C021Q和ADC121C027是低功耗、单片式的12位ADC，工作电源范围为+2.7V至+5.5V。它们采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，并内置跟踪 - 保持电路，能够处理高达11MHz的输入频率。这些ADC具有I²C兼容的串行接口，支持标准（100kHz）、快速（400kHz）和高速（3.4MHz）三种模式，为不同应用场景提供了灵活的选择。

特性亮点

接口兼容性与速度

• I²C兼容接口：支持三种速度模式，可根据系统需求灵活调整通信速率，适应不同的应用场景。
• 高速转换：转换时间典型值为1μs，最高吞吐量速率可达188.9ksps，能够快速准确地完成模拟信号到数字信号的转换。

电源与地址配置

• 宽电源范围：+2.7V至+5.5V的电源范围，增加了系统设计的灵活性，可适配多种电源环境。
• 多地址选择：VSSOP封装的ADC121C021最多支持九个引脚可选的芯片地址，ADC121C027提供三个引脚可选地址，方便在多设备系统中进行地址配置。

功能特性

• 报警功能：具备超出范围报警功能，当模拟输入超出可编程的上下限阈值时，会触发中断，及时反馈异常情况。
• 自动掉电模式：在不进行转换时自动进入掉电模式，有效降低功耗，延长电池供电设备的续航时间。

封装与等级

• 小型封装：提供6引脚SOT和8引脚VSSOP两种小型封装，节省电路板空间，适合对尺寸要求较高的应用。
• 汽车级产品：ADC121C021Q是符合AEC - Q100 2级标准的汽车级产品，可用于汽车电子等对可靠性要求较高的领域。

关键规格参数

参数	详情
分辨率	12位，无缺失码
转换时间	典型值1μs
INL & DNL	最大±1 LSB（高达22ksps）
吞吐量速率	最大188.9ksps
功耗（22ksps）	3V供电时典型值0.26mW；5V供电时典型值0.78mW

应用领域

系统监测

可实时监测系统中的各种模拟信号，如电压、电流、温度等，当信号超出预设范围时及时发出报警，保障系统的稳定运行。

峰值检测

能够快速准确地检测信号的峰值，适用于雷达、通信等领域的信号处理。

便携式仪器

低功耗和小型封装的特点使其非常适合用于便携式仪器，如手持万用表、便携式医疗设备等，延长设备的电池使用时间。

汽车电子

ADC121C021Q的汽车级认证使其可用于汽车的各种电子系统，如电池管理、传感器信号采集等，确保汽车电子设备的可靠性和安全性。

功能详解

转换器操作

ADC采用逐次逼近的工作方式，在跟踪模式下，采样电容连接到模拟输入通道；在保持模式下，采样电容连接到地，通过控制逻辑调整电荷分配，直到比较器平衡，完成模拟信号到数字信号的转换。

模拟输入

模拟输入范围为0V至$V_{A}$，输入电路中的二极管提供ESD保护，但不建议用于钳位输入信号。为了获得最佳性能，建议使用低阻抗源驱动ADC，可考虑使用缓冲放大器和滤波电路来减少噪声干扰。

参考电压

ADC使用电源$V{A}$作为参考电压，因此$V{A}$必须保持稳定且无噪声。在实际应用中，可参考典型应用电路来正确驱动ADC的参考输入。

上电复位

当电源电压超过上电复位阈值时，会触发内部上电复位（POR），各寄存器会被设置为预设值。如果电源电压低于2.4V，内部寄存器将丢失内容，此时需要将$V_{A}$降低至最大200mV后再重新上电，以确保设备正常复位。

内部寄存器

ADC拥有8个内部数据寄存器和一个地址指针，可实现存储转换结果、设置报警阈值、配置设备操作等功能。除转换结果寄存器为只读外，其他寄存器均可读写。

串行接口

I²C接口支持三种速度模式，标准 - 快速模式（100kHz/400kHz）和高速模式（3.4MHz）。通信时需要在SCL和SDA总线上使用上拉电阻或电流源，确保信号的正常传输。该接口允许多个设备在同一总线上工作，通过唯一的从地址进行通信。

报警功能

在每次转换结束后，会将测量电压与$V{HIGH}$和$V{LOW}$寄存器中的值进行比较。如果超出范围，会在多个位置指示报警条件，可通过配置相关寄存器来控制报警的清除方式。

自动转换模式

通过在配置寄存器的周期时间位写入非零值，可激活自动转换模式。在此模式下，ADC会持续进行转换，无需控制器的“读取”指令，同时报警功能和$V{MIN}$、$V{MAX}$寄存器的比较更新也会正常工作，适用于系统监测和峰值检测等应用。

应用电路设计

典型应用电路

在典型应用电路中，需要对模拟电源进行旁路电容网络处理，确保$V{A}$的稳定性。上拉电阻应连接到与$V{A}$相同的电压电位，以保证总线上所有设备的逻辑电平兼容。对于高速模式应用，可添加旁路电容来提高ADC的准确性。

缓冲输入电路

使用德州仪器的LMP7731对模拟输入进行缓冲，采用非反相放大器配置，为单端源提供缓冲增益级，适用于单端传感器接口。同时，需要为输入提供合适的直流偏置，确保ADC输入信号在有效范围内。

智能电池监测

可将ADC用于智能电池监测，通过“超出范围”报警功能实现窗口监控。在电池充电和放电过程中，及时反馈电池状态，控制器可根据这些信息优化电池管理，提高电池供电设备的效率。

涓流充电控制

在电池放电时，可利用ADC控制涓流充电，避免电池过充损坏。当报警输出激活时，启动充电过程，确保电池始终保持接近满容量状态。

布局、接地与旁路设计

为了获得最佳的精度和最小的噪声，PCB设计应将模拟和数字区域分开，采用独立的电源平面和单一的接地平面，并使用“围栏”技术防止模拟和数字接地电流混合。ADC的电源应使用4.7μF和0.1μF的电容进行旁路，且0.1μF电容应尽可能靠近设备的电源引脚。同时，应避免模拟和数字信号的交叉，控制时钟和数据线的阻抗。

总结

ADC121C021、ADC121C021Q和ADC121C027凭借其高性能、低功耗、丰富的功能和灵活的配置选项，成为众多应用领域的理想选择。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择封装、配置寄存器、设计应用电路，并注意布局、接地和旁路等方面的问题，以充分发挥这些ADC的优势，实现稳定可靠的系统设计。你在使用这类ADC时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。