18-Bit ADC with I2C Interface and Onboard Reference DS

42 Pages·2010·0.81 MB·English

by  Microchip Technology Inc

MCP3421
2
带 I C 接口和片内参考的 18 位模数转换器
特性 概述

• SOT-23-6封装的18位 ADC MCP3421为单通道低噪声、高精度、差分输入 A/D
• 差分输入 转换器，分辨率高达18位，提供微型SOT-23-6封装。
片上精密 2.048V 参考电压使得差分输入电压范围为
• 每次转换对内部失调和增益自校正
±2.048V（电压 = 4.096V）。该器件使用2线I2C兼
• 片内参考电压：
容串行接口，并采用2.7V至5.5V单电源供电。
- 精度：2.048V± 0.05%
用户通过2线I2C串行接口对控制配置位进行设定，从
- 漂移：15ppm/°C
而MCP3421器件可按3.75、15、60或240采样/秒
• 片内可编程增益放大器（Programmable Gain （SPS）速率进行转换。该器件具有片内可编程增益放
Amplifier，PGA）：
大器（PGA），用户可在转换开始之前选择 PGA 增益
- 增益为1、2、4或8 为x1、x2、x4或x8。因此MCP3421在转换很小的输
• 片内振荡器 入信号时仍可保持高分辨率。该器件提供两种转换模
• INL：满量程FSR的10ppm 式：a) 连续转换模式； b) 单次转换模式。在单次转换
（FSR = 4.096V/PGA） 模式下，器件在完成一次转换后自动进入低电流待机模
式，这样可显著降低空闲期间的电流消耗。
• 可编程数据率选项：
- 3.75SPS（18位） MCP3421 器件特别适合需要设计简单、低功耗和节省
空间的各种高精度模/数转换应用。
- 15SPS（16位）
- 60SPS（14位）
框图
- 240SPS（12位）
V V
• 单次或连续转换选项 SS DD
• 低电流消耗：
- 145µA（典型值）
参考电压
（V = 3V，连续转换）
DD （2.048V）
- 39µA（典型值）
（VDD= 3V，单次转换，1SPS） 增益 = 1、2、4 或 8 VREF
• 支持I2C串行接口： V +
IN
- 标准、快速和高速模式
 ADC 时钟
• 单电源供电：2.7V至5.5V PGA 转换器 振荡器
• 扩展级温度范围：-40°C至+125°C
V -
IN
典型应用
• 便携式仪表 I2C接口
• 电子秤和电量计
• 使用RTD、热敏电阻和热电偶的温度测量
SCL SDA
• 测量压力、张力和应变的电桥
封装形式
SOT-23-6 MCP3421
VIN+ 1 6 VIN-
VSS 2 5 VDD
SCL 3 4 SDA
 2010 Microchip Technology Inc. DS22003E_CN第 1页
MCP3421
注：
DS22003E_CN第 2页  2010 Microchip Technology Inc.
MCP3421
1.0 电气特性 † 注：如果器件的工作条件超过上述“绝对最大值”，可能对
器件造成永久性损坏。上述数值为运行条件最大值，我们建议
不要使器件在此规范规定的范围以外运行。如果器件长时间工
1.1 绝对最大值†
作在绝对最大额定值条件下，其可靠性会受到影响。
V ...................................................................................7.0V
DD
相对于VSS所有输入和输出电压 ............ –0.3V至VDD+0.3V
差分输入电压........................................................|V - V |
DD SS
输出电路电流.................................................................. 连续
输入引脚电流................................................................±2mA
输出和电源引脚电流....................................................±10mA
存储温度.......................................................-65°C至+150°C
加电时的环境温度........................................-55°C至+125°C
所有引脚ESD保护6kV HBM，400V MM
最高结温（T ）...........................................................+150°C
J
1.2 电气规范
电气特性
电气规范：除非另外说明，否则所有参数的适用条件为：T = -40°C至+85°C，V = +5.0V，V = 0V，V + = V - = V /2。
A DD SS IN IN REF
所有ppm单位使用的满量程为2*V 。
REF
参数 符号 最小值 典型值 最大值 单位 条件
模拟输入
差分输入范围 — ±2.048/PGA — V VIN = VIN+ - VIN-
共模电压范围（绝对值） VSS-0.3 — VDD+0.3 V
（注1）
差分输入阻抗 （注2） ZIND (f) — 2.25/PGA — M 在正常模式操作期间
共模输入阻抗 ZINC (f) — 25 — M PGA = 1、2、4和8
系统性能
分辨率和无丢失码（注8） 12 — — Bits DR = 240SPS
14 — — Bits DR = 60SPS
16 — — Bits DR = 15SPS
18 — — Bits DR = 3.75SPS
数据率（注3） DR 176 240 328 SPS S1,S0 = ‘00’，（12 位模式）
44 60 82 SPS S1,S0 = ‘01’，（14位模式）
11 15 20.5 SPS S1,S0 = ‘10’，（16位模式）
2.75 3.75 5.1 SPS S1,S0 = ‘11’，（18位模式）
输出噪声 — 1.5 — µVRMS TA = +25°C，DR = 3.75 SPS，
PGA = 1，V = 0
IN
积分非线性度（注4） INL — 10 35 FSR的 DR = 3.75 SPS
ppm （注6）
内部参考电压 VREF — 2.048 — V
注 1： 低于或超过此电压值的任意输入电压将导致泄漏电流流过输入引脚ESD二极管。
此参数为特征参数，未经100%测试。
2： 输入阻抗是由内部3.2pF的输入采样电容产生的。
3： 总转换速度包括自动失调和增益校正过程。
4： INL是端点线与量化带宽中点测量码之差。
5： 包括由片内PGA和V 引起的所有误差。
REF
6： 满量程（FSR） = 2 x 2.048/PGA = 4.096/PGA。
7： 该参数为特征参数，未经100%测试。
8： 该参数由设计确保，未经100%测试。
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MCP3421
电气特性（续）
电气规范：除非另外说明，否则所有参数的适用条件为：T = -40°C至+85°C，V = +5.0V，V = 0V，V + = V - = V /2。
A DD SS IN IN REF
所有ppm单位使用的满量程为2*V 。
REF
参数 符号 最小值 典型值 最大值 单位 条件
增益误差 （注5） — 0.05 0.35 % PGA = 1，DR = 3.75 SPS
PGA增益误差匹配 （注5） — 0.1 — % 任意两个PGA增益之间
增益误差偏移（注5） — 15 — ppm/°C PGA=1，DR=3.75 SPS
失调误差 VOS — 15 40 µV 在PGA = 1、VDD = 5.0V
且DR = 3.75 SPS时测试
失调漂移—温度 — 50 — nV/°C VDD = 5.0V
共模抑制比 — 105 — dB 直流，PGA =1,
— 110 — dB 直流，PGA =8，T = +25°C
A
增益—VDD — 5 — ppm/V TA = +25°C，
V = 2.7V至 5.5V，PGA = 1
DD
直流电源抑制比 — 100 — dB TA = +25°C，
V = 2.7V至5.5V，PGA = 1
DD
电源要求
电压范围 VDD 2.7 — 5.5 V
转换期间的电源电流 IDDA — 155 190 µA VDD = 5.0V
— 145 — µA V = 3.0V
DD
待机模式下的电源电流 IDDS — 0.1 0.5 µA
I2C数字输入和数字输出
高电平输入电压 VIH 0.7 VDD — VDD V
低电平输入电压 VIL — — 0.3VDD V
低电平输出电压 VOL — — 0.4 V IOL = 3mA，VDD = +5.0V
输入端施密特触发器迟滞 V 0.05V — — V f = 100kHz
HYST DD SCL
（注7）
I2C 总线活动时电源电流 I — — 10 µA
DDB
输入泄漏电流 IILH — — 1 µA VIH = 5.5V
I -1 — — µA V = GND
ILL IL
引脚电容和I2C总线电容
引脚电容 CPIN — — 10 pF
I2C总线电容 Cb — — 400 pF
注 1： 低于或超过此电压值的任意输入电压将导致泄漏电流流过输入引脚ESD二极管。
此参数为特征参数，未经100%测试。
2： 输入阻抗是由内部3.2pF的输入采样电容产生的。
3： 总转换速度包括自动失调和增益校正过程。
4： INL是端点线与量化带宽中点测量码之差。
5： 包括由片内PGA和V 引起的所有误差。
REF
6： 满量程（FSR） = 2 x 2.048/PGA = 4.096/PGA。
7： 该参数为特征参数，未经100%测试。
8： 该参数由设计确保，未经100%测试。
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温度特性
电气特性：除非另外说明，否则T = -40°C至+85°C，V = +5.0V，V = 0V。
A DD SS
参数 符号 最小值 典型值 最大值 单位 条件
温度范围
规定温度范围 T -40 — +85 °C
A
工作温度范围 T -40 — +125 °C
A
存储温度范围 T -65 — +150 °C
A
封装热阻
热阻，6引脚SOT-23 JA — 190.5 — °C/W
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MCP3421
注：
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2.0 典型工作特性曲线
注： 以下图表为基于有限数量样本所作的统计，仅供参考。所列特性未经测试，我公司不作任何担保。在一些
图表中，所列数据可能超出规定的工作范围（如：超出规定的电源电压范围），因而不在担保范围内。
注：除非另外声明，否则T = -40°C至+85°C，V = +5.0V，V = 0V，V + = V - = V /2。
A DD SS IN IN REF
.005 10.0
R) TA = +25°C
FS VDD = 5V PGA = 1
% of .004 ms) 7.5 PGA = 2
onlinearity (..000023 PGA P=G 1A =P 4GA =P G2A = 8 Noise (µV, r 25..50 PGPGAA = =8 4
N.001
al
gr
e.000 0.0
nt
I 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 -100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100
VDD (V) Input Voltage (% of Full-Scale)
图2-1： INL—电源电压（V ）曲线 图2-4： 输出噪声—输入电压曲线
DD
3.0
PGA = 1
Integral Nonlinearity (% of FSR) 000...000000123 PGA = 1VDD = 5 V VDD = 2.7V Total Error (mV) --01221.....00000 PPPGGGAAA === 284
0 -3.0
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100120140
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100
Temperature (oC) Input Voltage (% of Full-Scale)
图2-2： INL—温度曲线 图2-5： 总误差—输入电压曲线
20 0.4
15 VDD = 5V 0.3 VDD = 5.0V
or (µV) 105 PGA = 2 PGA = 4 PGA = 8 % of FSR) 00..12 PGA = 2PGA = 1
Offset Err -1-050 PGA = 1 n Error ( --00..210
-15 Gai -0.3 PGA = 4
PGA = 8
-20 -0.4
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
Temperature (°C) Temperature (°C)
图2-3： 失调误差—温度曲线 图2-6： 增益误差—温度曲线
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注：除非另外声明，否则T = -40°C至+85°C，V = +5.0V，V = 0V，V + = V - = V /2。
A DD SS IN IN REF
220 5
200 4
(µA)DA 116800 VDD = 5V or Drift (%) 23
ID 140 VDD = 2.7V cillat 1 VDD = 2.7V
120 Os
0 VDD = 5.0V
100
-1
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
Temperature (oC) Temperature (°C)
图2-7： I —温度曲线 图2-10： OSC漂移—温度曲线
DDA
0
600
-10 Data Rate = 3.75 SPS
500 -20
I (nA)DDS 234000000 nitude (dB) -----7654300000
100 VDD = 5V Mag --9800
VDD = 2.7V -100
0 -110
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100120140 -120
00..11 11 1010 101000 11k000 1010k000
Temperature (oC) Input Signal Frequency (Hz)
图2-8： I —温度曲线 图2-11： 频率响应
DDS
9
8 VDD = 5V
7
VDD = 4.5V
6
A)
(cid:2) 5
(B 4 VDD = 3.3V
D
D
I 3
2 VDD = 2.7V
1
0
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
Temperature (oC)
图2-9： I —温度曲线
DDB
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MCP3421
3.0 引脚说明
引脚说明如表3-1所示。
表3-1： 引脚功能表
MCP3421 符号 说明
1 V + 正差分模拟输入引脚
IN
2 V 接地引脚
SS
3 SCL I2C接口的串行时钟输入引脚
4 SDA I2C接口双向串行数据引脚
5 V 正电源引脚
DD
6 V - 负差分模拟输入引脚
IN
3.1 模拟输入（V +和V -） 3.2 电源电压（V 和V ）
IN IN DD SS
V +和V -为差分信号输入引脚。MCP3421器件接受 V 是器件的电源引脚。这个引脚需要与地之间接一个
IN IN DD
完全差分模拟输入信号，该信号连接到V +和V -输 约0.1µF的陶瓷旁路电容。在许多应用中建议另外并联
IN IN
入引脚。被转换的差分电压定义为V = (V + - V -)， 一个10µF钽电容，以进一步衰减高频噪声。正常工作
IN IN IN
其中 V + 为施加到 V + 引脚的电压，V - 为施加到 要求电源（V ）保持在2.7V至5.5V范围内。
IN IN IN DD
V -引脚的电压。用户也可以将V -引脚连接到V 进
IN IN SS V 是接地引脚和器件的电流返回通路。用户需通过低
SS
行单端操作。关于差分和单端连接的示例，请参见图6- 阻抗走线将 V 引脚连接到地平面。如果印刷电路板
4。 SS
（PCB）上存在模拟接地面，强烈建议将V 引脚连接
SS
输入信号在转换前被可编程增益放大器（PGA）放大。 到模拟地回路或利用模拟地平面进行隔离。
为了保证精度，差分输入电压绝对值不能超过
(VREF/PGA)，其中VREF为内部参考电压（2.048V）， 3.3 串行时钟引脚（SCL）
PGA 为 PGA 增益设定值。如果输入电压范围超过
(V /PGA)，转换器输出代码将为其饱和值。 SCL是I2C接口串行时钟引脚。MCP3421只可以是从
REF
器件，SCL引脚只接受外部串行时钟。来自主器件的输
每个输入引脚上的绝对电压范围为 V -0.3V 至
SS 入数据在 SCL 时钟的上升沿移入 SDA 引脚，同样在
V +0.3V。低于下限或高于上限的电压，都将产生泄漏
DD SCL时钟的下降沿，MCP3421通过SDA引脚输出数
电流，该电流流经输入引脚静电放电（Electrostatic
据。SCL引脚为漏极开路N沟道驱动器，因此SCL引
Discharge，ESD）二极管。ESD泄漏电流将发生器件
脚至V 线间需要一个上拉电阻。更多关于I2C串行接
无法预料的操作。应当选择恰当的共模模拟输入，使得 DD
口通信的信息，请参见第5.3节“I2C串行通信”。
每个引脚上差分模拟输入和绝对电压都在第1.0节“电
气特性”和第4.0节“器件工作概述”中规定的工作范
围之内。
关于输入电压范围的更多详细信息，请参见第 4.5 节
“输入电压范围” 。
图3-1所示为器件的输入结构。器件在前端采用了一个
开关电容输入级。C 是封装引脚电容，其典型值约为
PIN
4pF。D 和D 为ESD二极管。C 是差分输入
1 2 SAMPLE
采样电容。
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MCP3421
3.4 串行数据引脚（SDA） SCL 和 SDA 上拉电阻的典型值范围在标准模式
（100kHz）和快速模式（400kHz）下为5k至10k；
SDA为I2C接口串行数据引脚。SDA引脚用于数据输
在高速模式（3.4MHz）下小于1k。在V 小于2.7V
入和输出。在读模式，从 SDA 引脚读取（输出）转换 DD
时，不建议使用高速模式。
后的结果。在写模式，通过 SDA 引脚写（输入）器件
配置位。SDA 引脚为漏极开路 N 沟道驱动器 , 因此，
SDA 引脚至 V 线间需要一个上拉电阻。除了启动和
DD
停止条件，SDA引脚的数据必须在时钟为高电平期间保
持稳定。SDA引脚电平状态只能在SCL引脚的时钟信
号为低电平时改变。更多关于I2C串行接口通信的信息，
请参见第5.3节“I2C串行通信”。

V
DD
采样开关
RSS VIN+,VIN- D1 VT = 0.6V SS RS
V 4CPpIFN D2 VT = 0.6V （ILE~A±K1AGnEA） （CS3A.2MpPFLE）
V
SS
图注：
V = 信号源 I = 模拟引脚处的泄漏电流
LEAKAGE
R = 源阻抗 SS = 采样开关
SS
V +，V - = 模拟输入引脚 R = 采样开关电阻
IN IN S
C = 输入引脚电容 C = 采样电容
PIN SAMPLE
V = 阈值电压 D ，D = ESD保护二极管
T 1 2
图3-1： 等效模拟输入电路
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