ADS868xW 系列 16 位高速 SAR ADC 技术文档总结

科技绿洲 2025-10-24 670

描述

ADS8681W、ADS8685W和ADS8689W是基于逐次逼近（SAR）模数转换器（ADC）拓扑的集成数据采集系统系列。这些器件具有高速、高精度 SAR ADC、集成差分模拟前端（AFE）输入驱动电路。ADS868xW包括一个高达±20V的过压保护电路和一个具有极低温度漂移的片内4.096V基准电压源。
*附件：ads8681w.pdf

这些器件采用单 5V 模拟电源供电，但支持真正的双极性输入范围和单极性输入范围。双极性输入范围为±12.288V、±6.144V、±10.24V、±5.12V和±2.56V，单极性输入范围为0V至12.288V、10.24V、6.144V和5.12V。无论所选输入范围如何，这些器件都提供高电阻输入阻抗（≥ 1MΩ）。

多SPI数字接口向后兼容传统SPI协议。此外，可配置的功能简化了与各种主机控制器的接口。

特性

16 位 ADC，集成模拟前端
高速：
- ADS8681W：1MSPS
- ADS8685W：500kSPS
- ADS8689W：100kSPS
软件可编程输入范围：
- 双极性差分范围：±12.288V、±10.24V、±6.144V、±5.12V 和 ±2.56V
- 单极性差分范围：0V–12.288V、0V–10.24V、0V–6.144V和0V–5.12V
模拟电源（5V）：1.65V 至 5V I/O 电源
恒定电阻输入阻抗≥ 1MΩ
输入带宽：450kHz
输入过压保护：高达 ±20V
片内4.096V基准电压源，具有低漂移
卓越的性能：
- DNL：±0.6LSB;INL：±0.6LSB
- 信噪比：80dB;总谐失真：–105dB
具有高、低阈值的 ALARM 功能
带菊花链的多SPI™接口
温度范围：–40°C 至 +125°C

参数

adc

方框图

adc
ADS868xW 系列（含 ADS8681W/ADS8685W/ADS8689W）是德州仪器（TI）推出的高集成度数据采集系统，基于 16 位逐次逼近型（SAR）ADC 架构，集成模拟前端（AFE）、可编程增益放大器（PGA）、高精度参考源及多协议数字接口，支持宽范围双极性 / 单极性输入，适用于工业模拟输入模块、半导体测试、伺服驱动控制等场景，具备高速度、高精度与高可靠性特性。

一、核心特性与器件差异

1. 共性核心特性

高精度 ADC 性能 ：
- 16 位分辨率，无失码（NMC），微分非线性（DNL）最大 ±0.6LSB，积分非线性（INL）最大 ±0.6LSB（单极性）/±2LSB（双极性）；
- 低直流误差：偏移误差最大 ±2mV（25℃），偏移漂移最大 ±3ppm/℃；增益误差最大 ±0.025% FSR，增益漂移最大 ±5ppm/℃；
- 优异 AC 性能：1kHz 输入时，信噪比（SNR）典型 80.4dB、总谐波失真（THD）典型 - 105dB、无杂散动态范围（SFDR）典型 109dB，输入带宽 450kHz（-3dB）。
灵活输入范围 ：
- 双极性差分范围：±12.288V、±10.24V、±6.144V、±5.12V、±2.56V；
- 单极性差分范围：0V~~12.288V、0V~~10.24V、0V~~6.144V、0V~~5.12V；
- 输入阻抗≥1MΩ（与采样率无关），支持 ±20V 过压保护（AVDD 供电时），无需外部驱动电路即可直接连接传感器。
高集成模拟前端 ：
- 集成 PGA（增益随输入范围自动匹配）、二阶低通抗混叠滤波器（-3dB cutoff 典型 500kHz）、ADC 驱动放大器，简化信号链设计；
- 内置 4.096V 高精度参考源，温度漂移典型 1ppm/℃，支持外部参考输入（4.046V~4.146V）。
多协议数字接口 ：
- 支持 multiSPI™接口，兼容传统 SPI（CPOL/CPHA 四模式）、双 SDO（SDO-0/SDO-1）输出（数据速率翻倍）、源同步（SRC）协议；
- 支持菊花链（daisy-chain）拓扑，可多器件同步采集；
- 数字 I/O 供电 1.65V~3.6V，适配不同 MCU/FPGA 电平。
可靠性与低功耗 ：
- 工作温度 - 40℃~+125℃，ESD 防护：模拟输入 ±4000V（HBM）、其他引脚 ±2000V（HBM）、全引脚 ±500V（CDM）；
- 低功耗模式：NAP 模式（模拟部分低功耗）、PD 模式（深度掉电，电流典型 10μA），适配低功耗场景。

2. 器件差异（ADS8681W vs ADS8685W vs ADS8689W）

参数	ADS8681W	ADS8685W	ADS8689W
采样率	1MSPS（最高）	500kSPS（最高）	100kSPS（最高）
典型动态电流（AVDD）	10.5mA（5V，内部参考）	5mA（5V，内部参考）	2.7mA（5V，内部参考）
采集时间（t_acq）	335ns	1000ns	5000ns
适用场景	高速数据采集（如半导体测试）	中速工业控制（如伺服驱动）	低速高精度监测（如传感器信号）

二、封装与引脚功能

1. 封装规格

全系采用 4mm×4mm 16 引脚 WQFN（RUM 封装），引脚间距 0.65mm，最大高度 0.8mm，底部裸露热焊盘（需与 PCB 热焊盘焊接以优化散热），热阻参数：

结到环境（RθJA）31.9℃/W，结到板（RθJB）7.4℃/W，结到壳顶（RθJC (top)）27.9℃/W，适配高密度 PCB 布局。

2. 关键引脚分类与功能

引脚类别	关键引脚示例	类型	核心功能
模拟输入	AIN_P、AIN_M	模拟输入	差分模拟输入，AIN_P（同相）、AIN_M（反相），支持 ±20V 过压保护；需确保至少一路有直流通路到 AGND 以定义共模电压
电源与地	AVDD、DVDD、AGND、DGND	电源输入	AVDD（5V 模拟电源）、DVDD（1.65V~3.6V 数字电源）；AGND（模拟地）、DGND（数字地）需独立布线后单点连接
参考源	REFIO、REFCAP、REFGND	模拟 I/O	REFIO（内部参考输出 / 外部参考输入）、REFCAP（参考缓冲 decoupling）、REFGND（参考地，需短接至 AGND）
数字接口	CONVST/CS、SCLK、SDI/SDO-0	数字 I/O	CONVST/CS（转换启动 / 片选）、SCLK（串行时钟）、SDI（数据输入）、SDO-0（数据输出 0）；SDO-1 与 ALARM/GPO 复用
控制与告警	RST、ALARM/SDO-1、RVS	数字 I/O	RST（低有效复位）、ALARM（高有效告警）、RVS（状态指示，如转换完成、接口时序同步）

三、电气规格与工作条件

1. 电源要求

电源类型	电压范围	典型值	备注
AVDD（模拟电源）	4.75V~5.25V	5V	需就近并联 1μF（陶瓷）+10μF（钽）电容去耦，避免模拟噪声干扰
DVDD（数字电源）	1.65V~AVDD	3.3V	独立去耦，与 AVDD 隔离布线，防止数字噪声耦合至模拟电路
参考源电压	内部参考 4.096V，外部参考 4.046V~4.146V	4.096V	REFIO 需并联≥4.7μF 电容，REFCAP 需并联 1μF+10μF 电容，确保参考稳定性

2. 关键电气参数（典型值，TA=25℃，AVDD=5V，DVDD=3.3V）

参数	规格范围	典型值	单位
输入阻抗（R_IN）	≥1MΩ（所有输入范围）	1.2MΩ（±12.288V）	MΩ
输入偏置电流（I_IB）	(V_IN - 2.5)/R_IN	-36μA（AIN_P=0V）	μA
参考源温度漂移	内部参考典型 1ppm/℃	1ppm/℃	ppm/℃
转换时间（t_conv）	ADS8681W 最大 665ns	665ns	ns
数字输出高电平（V_OH）	I_OH=-500μA 时≥0.8×DVDD	3.0V（DVDD=3.3V）	V
数字输出低电平（V_OL）	I_OL=500μA 时≤0.2×DVDD	0.1V	V

四、核心功能与工作模式

1. 模拟前端与 ADC 工作流程

信号路径 ：输入信号→过压保护电路→PGA（增益匹配输入范围）→二阶低通滤波器→ADC 驱动→16 位 SAR ADC→数字接口输出；
转换时序 ：
1. 采集阶段（ACQ） ：CONVST/CS 为低，ADC 采样模拟输入，RVS 引脚指示采集状态；
2. 转换阶段（CONV） ：CONVST/CS 上升沿触发转换，内部时钟控制 SAR 逻辑，转换完成后 RVS 状态更新；
3. 数据读取 ：转换完成后，通过 SPI/multiSPI 接口读取 16 位结果，支持单 / 双 SDO 输出（双 SDO 时数据速率翻倍）。

2. 参考源与告警功能

参考源配置 ：
- 内部参考：默认使能（INTREF_DIS=0），REFIO 输出 4.096V，需并联 4.7μF 电容；
- 外部参考：INTREF_DIS=1，REFIO 输入 4.046V~4.146V，内部缓冲驱动 ADC 参考端（REFCAP）。
告警功能 ：
- 输入告警 ：用户可编程高 / 低阈值（ALARM_H_TH/ALARM_L_TH 寄存器）与滞回（INP_ALRM_HYST），输入超限时 ALARM 引脚置高；
- AVDD 告警 ：固定阈值（低 4.7V、高 5.3V），供电异常时触发告警；
- 告警标志存储于 ALARM_REG 寄存器，含 “活跃标志”（实时状态）与 “触发标志”（需读寄存器清除），支持将告警信息附加至数据输出。

3. 数字接口与多器件同步

接口协议 ：
- 传统 SPI ：支持 CPOL/CPHA 四模式（SPI-00~11），SCLK 最高 66.67MHz；
- 双 SDO 模式 ：SDO-0 与 SDO-1 同时输出，数据速率翻倍，需配置 SDO1_CONFIG=11b；
- 源同步（SRC）协议 ：RVS 引脚提供同步时钟，支持内部 / 外部时钟源，降低时序延迟；
菊花链拓扑 ：多器件共享 CONVST/CS 与 SCLK，SDO-0 级联至下一级 SDI，实现多通道同步采集，需确保每器件配置相同，数据按 “最后一级→第一级” 顺序输出。

4. 低功耗模式

NAP 模式 ：CONVST/CS 保持高电平时，模拟部分进入低功耗，唤醒时间典型 20μs（需配置 NAP_EN=1）；
PD 模式 ：深度掉电，模拟部分全关断，仅保留数字接口与寄存器配置，唤醒时间典型 20ms（需配置 PWRDN=1）；
静态电流（非转换）：ADS8681W 典型 4.7mA（内部参考）、ADS8689W 典型 2.3mA（外部参考），适配低功耗场景。

五、寄存器配置

1. 核心寄存器功能

DEVICE_ID_REG（00h） ：器件 ID 与地址寄存器，配置 DEVICE_ADDR [3:0]（菊花链中区分器件，0001b 默认）；
RST_PWRCTL_REG（04h） ：复位与功耗控制，含 WKEY（写保护，需先写 69h 解锁）、NAP_EN（NAP 模式使能）、PWRDN（PD 模式使能）；
RANGE_SEL_REG（14h） ：输入范围选择，通过 RANGE_SEL [3:0] 配置双极性 / 单极性范围，INTREF_DIS 控制内部参考使能；
ALARM_H_TH/ALARM_L_TH_REG（24h/28h） ：告警高 / 低阈值寄存器，16 位阈值 + 8 位滞回配置；
DATAOUT_CTL_REG（10h） ：数据输出控制，配置是否附加器件地址、输入范围、告警标志、奇偶校验等信息至输出数据。

六、应用与设计建议

1. 典型应用场景

工业模拟输入模块 ：适配 PLC/DCS 系统，采集 ±10V、4mA~20mA 等工业标准信号，支持 8 通道扩展（搭配 MUX36D08 多路复用器）；
伺服驱动控制 ：高精度采集电机电流、电压信号，1MSPS 采样率满足高速控制需求；
半导体测试 ：高线性度与低失真特性，适配芯片测试中的微弱信号采集。

2. 设计建议

电源与去耦 ：
- AVDD 与 AGND 之间并联 1μF（X7R 陶瓷，0603）+10μF（钽电容），靠近引脚放置；
- DVDD 与 DGND 之间并联 1μF 陶瓷电容，参考源 REFIO 并联 4.7μF、REFCAP 并联 1μF+10μF 电容；
PCB 布局 ：
- 划分模拟区（AIN_P/AIN_M、REFIO/REFCAP）与数字区（SCLK、SDO/SDI），模拟地与数字地单点连接；
- AIN_P/AIN_M 布线对称，避免与数字信号线交叉，输入阻抗匹配（外部源阻抗需一致，避免偏移误差）；
输入保护 ：虽内置 ±20V 过压保护，仍建议在前端串联 10Ω 限流电阻，防止浪涌电流损坏器件。

七、订购与环境信息

1. 订购型号参数

订购型号	状态	封装	温度范围	RoHS 合规	Moisture Sensitivity Level（MSL）	包装规格
ADS8681WRUMR	量产（Active）	16 引脚 WQFN	-40℃~+125℃	是	1 级（无湿度限制，260℃峰值回流）	3000 颗 / 大卷带
ADS8681WRUMT	量产（Active）	16 引脚 WQFN	-40℃~+125℃	是	1 级（无湿度限制，260℃峰值回流）	250 颗 / 小卷带
ADS8685WRUMR	量产（Active）	16 引脚 WQFN	-40℃~+125℃	是	1 级（无湿度限制，260℃峰值回流）	3000 颗 / 大卷带
ADS8689WRUMR	量产（Active）	16 引脚 WQFN	-40℃~+125℃	是	1 级（无湿度限制，260℃峰值回流）	3000 颗 / 大卷带

2. 可靠性与防护

ESD 防护 ：模拟输入引脚 ±4000V（HBM）、其他引脚 ±2000V（HBM）、全引脚 ±500V（CDM），符合 JEDEC JESD22 标准；
质量保证 ：量产型号通过工业级可靠性测试，支持 - 40℃~+125℃宽温工作，适合恶劣工业环境。

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