3V/5V低功耗同步电压频率变换芯片AD7740

    摘要：AD7740是一种CMOS型低功耗单通道单终端同步电压频率转换芯片，它具有缓冲和非缓冲两种模式。工作范围宽，对外部元件要求小，输出频率准确，无须调整或校准。可广泛用于各种A/D转换系统，并可以和AD22100S温度传感器构成数字式环境温度指示器等电路。文中介绍了AD7740的结构、特点、功能、原理和几种典型的应用电路。

1 概述

AD7740是一种低成本的超小型同步电压频率转换芯片（VFC），该芯片的工作电压范围是3.0～3.6或者4.75～5.25V；工作电流为0.9mA。AD7740有8脚SOT-23和8脚小型SOIC两种封装形式。体积小、成本低和易于使用是该芯片的主要设计思想。该芯片还在内部集成有2.5V带隙基准，用户也可使用外部基准，其外部基准最大力VDD。

AD7740芯片的输出频率和CLKIN时钟信号同步。时钟信号可由附加的外部晶体振荡器（或谐振器）产生，也可由CMOS兼容的时钟信号源提供。AD7740的满刻度输入频率为1MHz。

当模拟信号由0V到VREF变化时，AD7740的输出频率可在10%-90%fCLKIN之间变化。在缓冲模式下，该芯片的输入阻抗非常高。此时其VIN脚的输入电压为0.1V～VDD-0.2V。在非缓冲模式下，VIN脚的输入电压允许值为-0.15～VDD+0.15V。两种模式可通过BUF脚相互转换。

AD7740（Y等级）的工作温度范围是-40～+105℃。AD7740（K等级）的工作温度范围是0～85℃。另外，AD7740还有如下特点：

●内含单通道单终端两步电压频率转换器；

●采用8脚SOT-23和8脚小型SOIC两种封装；

●内含2.5V基准电压；

●REFIN端的电压基准额定范围是2.5V～VDD；

●最大输入频率为1MHz；

●具有可选非缓冲输入和高阻抗缓冲输入；

●在非缓冲模式下，AD7740的工作电压是3.0～3.6V或者4.75～5.25V，工作电流是0.9mA，最低功耗为3mW（典型值）；

●双极工作时，模拟输入可以降低到-150mV以下；

●对外部元件要求较小，不需要外接电阻电容来设置输出频率，满刻度输出频率由一个晶体或者时钟来决定，也不需要调整和校准；

●具有自动断电功能；

●无须电荷泵即可实现真正的-150mV能力。

2 引脚功能

图1是AD7740的管脚排列，表1为AD7740的管脚功能说明（以8脚小型SOIC封装为例）。

表1 AD7740管脚功能说明

3 功能原理

AD7740是一种采用了电荷平衡转换技术的CMOS型同步电压频率转换器（VFC）。输入电压信号通过一个专用的前端拟调制器转换成一组输出脉冲串。

AD7740采用单电源工作，电压为3.3V或5V。图2所示是它的逻辑框图。

3.1 输入放大缓冲和电压范围

通过设备BUF=1可使模拟输入VIN工作于缓冲模式，在缓冲模式下，VIN具有高阻抗特性，典型值为100MΩ，该特性使得AD7740芯片能承受高阻抗输入，VIN脚的电压范围为0.1V～VDD-0.2V。通过设置BUF=0可使AD7740在输入端回路输入一个低于GND的模拟信号，其范围为-0.15～VDD+0.15V，在该模式下，AD7740的输入阻抗典型值为50kΩ。

AD7740的转换函数关系为：

f

图3是非缓冲模式下的函数关系曲线：

3.2 VFC调制器

AD7740的模拟输入信号经过一个开关电容调制器进行连续采样，其采样频率可通过设置主时钟频率来调节。输入信号可以通过片内缓冲器缓冲后再输入调制器采样电容。这样可使采样电容的充电电流与模拟输入隔离。

该系统是一负反馈回路，它通过平衡输入电压输入的电荷与VREF输入的电荷来保证积分器电容上的净电荷为0。

表现模拟输入电压的数字信息被包含在比较器输出的脉冲串的工作周期内。而输出脉冲串的频率取决于模拟输入信号。若为满刻度输入，则输出频率为0.9fCLKIN，而零刻度输入则为0.1fCLKIN。这样，输出信号可简单方便地和光耦合器相连。FOUT的脉冲宽度由CLKIN信号的高电平延续时间来确定，其典型值为35ns。图4为输出频率的波形图。

AD7740内有一设定调节时间以适应输入电压的变化，需要说明的是：在含有有效数据的信号到来之前，该调节必须结束。调节时间通常为2个CLKIN周期。

3.3 时钟

与异步VFC不同的是，AD7740依靠外部电容的稳定性来设定它的满刻度频率，而通过外部时钟来确定其满刻度输出频率。这一特性使AD7740具有更稳定的转换功能，设计者可根据所选外部时钟来测定系统的稳定性和误差。

AD7740的主时钟输入（CLKIN脚）可由外部CMOS兼容的时钟信号输入（CLKOUT不需要）。

在频率大于50kHz时，可在CLKIN和CLKOUT之间接一晶体谐振器。

在CLKIN和CLKOUT之间连接晶体谐振器来产生时钟时，AD7740的VDD拉电流比使用CLKIN脚的驱动时钟信号时要大。这是因为在使用晶体或谐振器时片内晶体是激活的。

片内晶振有一初始化时间，在VDD=5V时，典型值为10ms；VDD=3.3V时，典型值为15ms（均接1MHz晶体）。

AD7740主时钟信号会在CLKOUT脚反向，推荐使用CMOS负载。如果使用晶振来产生AD7740时钟信号，用户可能希望它能作为整个系统的时钟，在这种应用下最好让CLKOUT信号经过CMOS缓冲器缓冲后再送到电路的其它部分。

3.4 输入基准

AD7740所执行的转换取决于所应用的参考电压基准。该基准可以在REFIN/OUT悬空时的内部2.5V带隙基准或者外部时钟。在选用一个外部基准时应该考虑其驱动能力、初始误差、噪声和漂移等特性。AD780和REF192是比较合适的选择。

对于辐射性可测量信号源，最好使用内部时钟。当信号源随时间、温度、负载等因素发生变化时，也应采用内部时钟以消除误差。

3.5 省电状态

当CLKIN管脚闲置时间超过1ms（典型值）时，AD7740自动进入省电状态。在省电状态下，大部分数字/模拟电路关闭，REOUT悬浮，FOUT呈高电平，此时功率消耗仅为525μW(5V)或360μW（3.3V）

4 典型应用

图5给出了AD7740在非缓冲模式下的基本接线图。5V电源作为AD7740的基准，石英晶振用于给芯片提供时钟信号。为确保晶体在超过其基本谐振频率时不振荡，需要在晶振上连接电容C1和C2。

4.1 A/D转换

在A/D转换系统中，AD7740的典型应用是给FOUT的输出脉冲计数和形成固定时间间隔。如图4所示。这个固定闸门周期可通过对输入信号频率分频产生。在这个应用中，关键是FOUT频率同时钏信号的比值，而不是FOUT的绝对频率。分频作用是通过二进制计数器实现的，CLKIN为计数脉冲。

图7给出了CLKIN、FOUT和门信号的波形。在门信号的高电平的期内，计数脉冲对FOUT的上升沿进行计数。由于门周期与FOUT不同步，所以计数有可能不准确。因此，依靠FOUT计数可能会产生计数误差。

因为TGTAEFOUTMAX=满刻度计数总数，所以对于已给定分辨率的DAC的最快转换速率可以用CLKIN的最高频率来衡量。

如果输出频率通过由时钟信号得来的门脉冲计数来测定，那么时钟的稳定性并不重要，AD7740仅起一个电压频率转换驱动器的作用。由于固有的单调转换能力和输入时钟频率的宽带性，从而使AD7740在特殊应用时具有较好的转换时间和分辨率。

门周期是需要考虑的另一个重要参数。因为VFC的积分周期等于门周期，所以全体干扰信号均可通过计算干扰信号周期的整数数目来排除。例如，门周期为100ms，则会以正常的方式抑制50Hz和60Hz的干扰信号。

4.2 隔离电路

AD7740也可用于隔离模拟信号。由于噪声、安全性要求或距离因素，有时必须将AD7740和任何其它控制回路隔离，这利用光隔离器可很简单实现。但在AD7740和其它设备之间加接地环路是非常必要的。

通过VFC可将传输的模拟电压信号转换成一脉冲串，然后光隔离器再以光为连接媒质将脉冲串耦合并穿过一隔离势垒。隔离器的输入发光二极管（LED）由AD7740的输出来驱动，在接收端，输出晶体三极管工作于光电三极管模式。脉冲串可再由电压频率转换器还原成模拟电压，也可以送入计数器以产生数字信号。AD7740的模拟和数字部分允许单终端电源操作，这样可简化和电源的隔离。

图8所示是使用低成本光隔离器组成的VFC隔离电路。5V电源可同时作为隔离器（Vm）和本地（Vcc）电源。

4.3 温度传感器

    AD7740可以和AD22100S温度传感器构成数字式环境温度指示器。AD22100S的输出电压和温度成比例。该芯征的电源电压为5V，输出电压在0.25V～4.75V之间，对应的温度范围是-50℃～+150℃。将该输出电压输入AD7740后，可将温度值转换成数字脉冲串，具体电路如图9所示。

这是一个极其经济的解决方案，如将5V电源同时作为VFC和AD22100S的基准电压，则外部精确的基准就可省略。

4.4 供电旁路和接地电路

在准确度要求比较高的电路中，应仔细考虑供电电路和接地回路的布线，这样有助于保证标定的性能。在固定AD7740的印刷板电路设计中，应使模拟和数字部分分离并限定在一定范围内。为将模拟数字部分之间的耦合电容降到最低，模拟地和数字地应在接近AD7740的一点接地，而不应重叠。另外，还应避免在芯片下走数字线，以免将噪声耦合到芯片上。模拟地应布置在AD7740下，这样可以避免噪声耦合。电源供电电路应采用较宽的布线，以降低电路阻抗和低频干扰的影响。对于快速变化的信号，如时钟信号，应使用数字地屏蔽来避免辐射噪声耦合到电路的其它部分，并且时钟信号绝对不应靠近模拟输入部分的布线，以避免数字信号和模拟信号的交叠。最好采用微带技术，接地线应放在元件面，信号线应放在焊接面。

还需指出：有效退耦也很重要，所有模拟电路都应在地之间退耦。该电路采用了10μFt 1μF两个贴片电容，并且应尽量靠近芯片，最理想的是放在芯片的正上方。旁路电容的引线应尽可能的短，以使电容引线的电感降到最小。10μF电容应选用钽电容，并靠近VFC放置以减小低频干扰。0.1μF电容应具有较低的串联电阻（ESR）和有效串联电感（ESI），可选用普通的陶瓷电容，该电容在高频工作时可提供到地之间的通路，以处理由于内部电路变换产生的突变电流。另外，在PBC的电源接入点还应接上一个容量大于47μF的电容。