3V5V 低功耗同步电压频率变换芯片AD7740

3V/5V低功耗同步电压频率变换芯片AD7740

作者：空军工程大学电讯工程学许柯空军工程大学导弹学院秦建军张厚

来源：《国外电子元器件》

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。

关键词：AD7740 同步电压频率转换

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 管 脚 命 名 功 能

1 CLKOUT 在该管脚和CLKIN 之间接入晶体/谐振器。当外部时钟驱动CLKIN 脚时，该脚产生一个反向的时钟信号，该信号首先经缓冲后可用来驱动其它电路。

2 CLKIN 芯片主时时钟信号可以由接在此脚与CLKOUT 之间的晶体产生。也可由一个外部CMOS 兼容时钟提供。如果CLKIN 脚闲置1ms ，AD7740将自动关闭。

3 GND 为所有电路提供基准地

4 REFIN/OUR 电压基准。这是输入VFC 核心的电压基准，并且定义了VFC 的范围。如果该管脚没连

接，片内基准电压为2.5V 。也可选择精确的部基准来替代内部电压基准。内部电压基准

的输出阻抗很高，目的是允许超高激励。

5 VIN VFC 的模拟输入，其额定输入范围0V ～VREF ，这决定了输出频率范围为10%～

90%fCLKIN 。该管脚有±150mV 的电压范围。如果在缓冲模式下，不管外部是否有激励，

实际上该管脚都没有电流

6 VDD 电压输入端。该部分可以工作在3.0～3.6或者4.75～5.25V 。在输入端GND 之间需要接一只10µF 和一只0.1µF 的去耦电容

7 FOUT 频率输出端，FOUT 输出频率随VIN 在10%90%fCLKIN 内变化

8 BUF 缓冲模式选择端。当BUF 为低电平，VIN 输入没有缓冲，VIN 电压范围-0.15～VDD+0.15V 。当BUF 为高电时，VIN 被缓冲，VIN 电压范围限制在0.1V ～VDD-0.2V

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100M Ω，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50k Ω。

AD7740的转换函数关系为：

f OUT =0.1f CLKIN +0.8(V IN /V REF )f CLKIN

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。