ADS9227双路同步采样 16 位 SAR ADC 技术文档总结

ADS922x是一系列16位、高速、双通道、同步采样、模数转换器（ADC），具有用于ADC输入的集成驱动器。集成的ADC驱动器简化了信号链，降低了精密应用的功耗，并支持超过1MHz的高频信号。由于不需要外部去耦电容，集成ADC基准电压缓冲器针对宽带宽应用进行了优化。

ADS922x使用串行LVDS （SLVDS）数据接口，支持高速数字接口，同时最大限度地降低数字开关噪声。使用每个ADC通道的单独SLVDS输出或两个ADC通道的一个SLVDS输出读取双通道ADC数据。
*附件：ads9227.pdf

特性

• 高速采样率：20MSPS/ch
  • ADS9229：20MSPS/通道，230mW/通道
  • ADS9228：10MSPS/通道，146mW/通道
  • ADS9227：5MSPS/通道，95mW/通道
• 2 通道，同时采样
• 功能集成：
  • 集成ADC驱动器
  • 集成精密参考
  • 共模电压输出缓冲器
• 高性能：
  • 16 位无缺失码
  • INL：±0.3LSB，DNL：±0.3LSB
  • 信噪比：93.9dB
• 宽输入带宽 （–3dB）：
  • ADS9229和ADS9228：90MHz
  • ADS9227：45MHz
• 串行LVDS接口：
  • SDR 和 DDR 输出模式
  • 同步时钟和数据输出
• 扩展工作范围：–40°C 至 +125°C

参数

方框图

ADS922x 系列（含 ADS9227/ADS9228/ADS9229）是德州仪器（TI）推出的高集成度双路同步采样 16 位逐次逼近型（SAR）ADC，集成 ADC 输入驱动、高精度参考源、共模电压输出缓冲及高速串行 LVDS 接口，专为高速、高精度数据采集设计，适用于功率分析仪、源测量单元（SMU）、伺服驱动位置反馈、船舶设备及交直流电源等场景，具备宽输入带宽、低失真、低功耗特性，工作温度覆盖 - 40°C~+125°C 工业级范围。

一、核心特性与器件差异

1. 共性核心特性

• 高精度同步采样 ：
  • 双路同步采样，16 位分辨率无失码（NMC），微分非线性（DNL）最大 ±0.3LSB，积分非线性（INL）最大 ±0.3LSB（ADS9229）/±0.75LSB（ADS9228/ADS9227）；
  • 低直流误差：偏移误差最大 ±10LSB，偏移漂移典型 1ppm/°C；增益误差最大 ±0.05% FSR，增益漂移典型 2ppm/°C；
  • 优异 AC 性能：1kHz 输入时，信噪比（SNR）典型 93.8dBFS、总谐波失真（THD）典型 - 120dB、无杂散动态范围（SFDR）典型 120dB，通道隔离串扰典型 120dB。
• 宽频带与高速度 ：
  • 输入带宽（-3dB）：ADS9229/ADS9228 达 90MHz，ADS9227 达 45MHz，支持 1MHz 以上高频信号采集；
  • 采样率灵活：最高 20MSPS/ch（ADS9229）、10MSPS/ch（ADS9228）、5MSPS/ch（ADS9227），适配不同速率需求。
• 高集成模拟前端 ：
  • 集成 ADC 输入驱动放大器，无需外部缓冲电路，简化信号链；
  • 内置 4.096V 高精度参考源（温度漂移典型 6ppm/°C），支持外部参考输入（4.076V~4.116V），REFIO 引脚需并联 10μF 去耦电容；
  • 共模电压输出缓冲（VCMOUT），典型输出 2.4V，用于匹配 ADC 输入共模电压，需并联 1μF 去耦电容。
• 高速 LVDS 数字接口 ：
  • 支持串行 LVDS（SLVDS）接口，提供 1 通道（DOUTA）或 2 通道（DOUTA/DOUTB）输出选项，兼容单数据率（SDR）与双数据率（DDR）模式；
  • 数据帧宽可配置（20 位 / 24 位），支持测试模式（固定图案、数字斜坡、交替图案）用于接口调试；
  • 同步时钟与数据输出（DCLK/FCLK），时钟频率最高 480MHz（2 通道 DDR 模式），降低数字噪声干扰。
• 功能增强与可靠性 ：
  • 内置 10 位温度传感器（精度 ±2.5°C），支持通过 SPI 读取芯片内部温度；
  • 数据平均功能：支持 2/4/8/16 倍过采样（OSR），可提升 SNR（最高 97dBFS@OSR=16）；
  • 数字下变频器（DDC）：集成 24 位数控振荡器（NCO）与数字混频器，输出 I/Q 复数信号，适配射频信号采集；
  • ESD 防护：模拟输入 ±2000V（HBM）、其他引脚 ±1000V（HBM）、全引脚 ±500V（CDM），符合工业级可靠性要求。

2. 器件差异（ADS9227 vs ADS9228 vs ADS9229）

参数	ADS9227	ADS9228	ADS9229
最高采样率	5MSPS/ch	10MSPS/ch	20MSPS/ch
输入带宽（-3dB）	45MHz	90MHz	90MHz
典型功耗（单通道）	95mW（5MSPS）	146mW（10MSPS）	230mW（20MSPS）
模拟电源电流（AVDD_5V）	20mA（5MSPS）	33mA（10MSPS）	55mA（20MSPS）
数字电源电流（VDD_1V8）	50mA（5MSPS）	70.5mA（10MSPS）	103mA（20MSPS）
INL（最大）	±0.75LSB	±0.75LSB	±0.3LSB

二、封装与引脚功能

1. 封装规格

全系采用 6mm×6mm 40 引脚 VQFN（RHA 封装），引脚间距 0.5mm，最大高度 1mm，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）25.8°C/W，结到板（RθJB）7.5°C/W，结到壳顶（RθJC (top)）13.3°C/W，适配高密度 PCB 布局，支持恶劣环境散热需求。

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	AINAP/AINAM、AINBP/AINBM	模拟输入	双路差分模拟输入，AINAP/AINBM 为同相端，AINAM/AINBM 为反相端，输入范围 ±3.2V（差分）
电源与地	AVDD_5V、VDD_1V8、GND、REFM	电源输入	AVDD_5V（5V 模拟电源）、VDD_1V8（1.8V 数字电源）；REFM 为参考地，需短接至 GND
参考源	REFIO	模拟 I/O	内部参考输出（4.096V）/ 外部参考输入，需并联 10μF 去耦电容至 REFM
共模电压	VCMOUT	模拟输出	共模电压输出（典型 2.4V），用于设置 ADC 输入共模电压，需并联 1μF 去耦电容至 GND
LVDS 接口	DOUTA/DOUTB、DCLK、FCLK	数字输出	DOUTA/DOUTB 为数据输出（1/2 通道），DCLK 为数据时钟，FCLK 为帧时钟，需外接 100Ω 差分匹配电阻
采样时钟	SMPL_CLKP/SMPL_CLKM	数字输入	采样时钟输入，支持差分 LVDS（SMPL_CLKP/SMPL_CLKM）或单端 CMOS（仅 SMPL_CLKP）
配置与控制	SCLK、SDI/EXTREF、CS、RESET	数字 I/O	SPI 配置接口（SCLK/SDI/SDO/CS）、复位（RESET，低有效）、参考选择（SDI/EXTREF）
同步与测试	SMPL_SYNC、PWDN	数字输入	SMPL_SYNC 用于多器件同步 / 滤波器复位，PWDN 用于掉电控制（低有效）

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_5V（模拟）	ADS9227：4.5V5.5V；ADS9228/9：4.75V5.25V	5V	需就近并联 1μF（陶瓷）+0.1μF（陶瓷）电容去耦，避免模拟噪声干扰
VDD_1V8（数字）	1.75V~1.85V	1.8V	独立去耦，与 AVDD_5V 隔离布线，防止数字噪声耦合至模拟电路
参考源电压	内部 4.096V；外部 4.076V~4.116V	4.096V	REFIO 需并联≥10μF 电容，确保参考稳定性

2. 关键电气参数（典型值，TA=25°C，AVDD_5V=5V，VDD_1V8=1.8V）

参数	规格范围	典型值	单位
差分输入范围（FSR）	-3.2V~+3.2V	±3.2V	V
共模输入电压（VCM）	VCMOUT±70mV	2.4V	V
参考源温度漂移	最大 20ppm/°C	6ppm/°C	ppm/°C
孔径抖动（RMS）	差分时钟 0.3ps；单端 0.8ps	0.3ps	ps
LVDS 差分输出电压	200mV~500mV	350mV	mV
掉电电流（AVDD_5V）	最大 2mA	2mA	mA

四、核心功能与工作模式

1. 模拟前端与采样流程

• 信号路径 ：差分输入→ADC 输入驱动→SAR ADC→数字信号处理（可选过采样 / DDC）→LVDS 接口输出；
• 同步采样 ：双路 ADC 共享同一采样时钟（SMPL_CLK），在时钟下降沿同步采样，确保通道间相位一致性，适配功率分析、电机控制等需多通道同步的场景；
• 共模电压匹配 ：通过 VCMOUT 引脚提供共模电压，输入信号共模电压需匹配 VCMOUT（±70mV），避免共模噪声导致的失真。

2. 数据处理与接口

• 数据平均（过采样） ：
  • 支持 2/4/8/16 倍过采样，通过寄存器配置 OSR_EN/OSR bits，过采样率越高，SNR 提升越显著（OSR=16 时 SNR 达 97dBFS）；
  • 过采样滤波器可通过 SMPL_SYNC 引脚复位，支持多器件同步过采样。
• 数字下变频器（DDC） ：
  • 集成 24 位 NCO 与数字混频器，可将输入信号下变频至基带，输出 24 位 I/Q 复数数据；
  • NCO 频率与相位可通过寄存器配置（NCO_FREQUENCY/NCO_PHASE），支持频率捷变，适配射频信号采集。
• LVDS 接口配置 ：
  • 通道模式 ：1 通道（DOUTA 输出双路数据）或 2 通道（DOUTA/DOUTB 分别输出 A/B 路数据）；
  • 数据速率 ：SDR（单沿采样）或 DDR（双沿采样），DDR 模式下数据速率翻倍；
  • 时钟计算 ：DCLK 频率 =（2 通道 × 数据帧宽）/（输出通道数 × 数据速率）× 采样时钟，例如 2 通道、24 位帧宽、DDR 模式、20MSPS 采样率时，DCLK=（2×24）/（2×2）×20MHz=240MHz。

3. 低功耗与复位模式

• 掉电模式 ：
  • 通道掉电（PD_CH bits）：可单独关闭 ADC A/B 或同时关闭，掉电后模拟部分电流显著降低；
  • 全芯片掉电（PD_CHIP bit）：关闭所有电路，仅保留寄存器配置，AVDD_5V 电流典型 2mA；
• 复位模式 ：
  • 硬件复位（RESET 引脚低有效）或软件复位（RESET bit），复位后寄存器恢复默认值，需重新初始化配置。

五、寄存器配置

1. 核心寄存器功能

• 配置寄存器（Bank 0） ：
  • 00h：SPI 模式（SPI_MODE）、读使能（SPI_RD_EN）、芯片复位（RESET）；
  • 01h：菊花链长度（DAISY_CHAIN_LEN），支持多器件 SPI 级联；
  • 03h：寄存器组选择（REG_BANK_SEL），切换 Bank 0/1/2。
• 功能寄存器（Bank 1） ：
  • 0Dh：数据格式（DATA_FORMAT，二进制 / 二进制补码）、过采样使能（OSR_EN）、增益校准使能（GE_CAL_EN）；
  • 12h：数据通道数（DATA_LANES，1/2 通道）、XOR 随机化使能（XOR_EN，降低接地反弹）；
  • C0h：通道掉电控制（PD_CH）、过采样时钟配置（OSR_CLK）；
  • C1h：参考源选择（PD_REF，内部 / 外部）、数据速率（DATA_RATE，SDR/DDR）；
  • FBh：DDC 使能（MIXER_EN）、NCO 同步（NCO_SYSREF）。
• 温度传感器寄存器（Bank 1） ：
  • 90h：温度传感器数据加载（TS_LD），触发读取温度；
  • 91h：10 位温度传感器数据（TEMPERATURE_SENSOR），温度计算公式：Temperature = -85.0172 + (10 位输出 ×0.24918) °C。

2. SPI 配置流程

• 写操作 ：需 2 个 24 位帧，第 1 帧选择寄存器组（Bank 1/2），第 2 帧写入寄存器地址与数据；
• 读操作 ：需 4 个 24 位帧，第 1 帧选组，第 2 帧使能读模式，第 3 帧读取寄存器，第 4 帧禁用读模式；
• 菊花链 ：多器件级联时，SCLK/CS 共接，SDO 接下一级 SDI，需配置 DAISY_CHAIN_LEN，数据传输需 N×24 个 SCLK（N 为器件数）。

六、应用与设计建议

1. 典型应用场景

• 功率分析仪 ：双路同步采样电压 / 电流信号，高精度（THD=-120dB）与宽带宽（90MHz）支持谐波分析；
• 伺服驱动位置反馈 ：高速采样（20MSPS）与低延迟（采样到输出典型 370ns）适配实时控制；
• 源测量单元（SMU） ：低偏移漂移（1ppm/°C）与高 SNR（93.8dBFS）确保微弱电流 / 电压信号的精准测量。

2. 设计建议

• 电源与去耦 ：
  • AVDD_5V 与 GND 之间并联 1μF（X7R 陶瓷，0603）+0.1μF（陶瓷），靠近引脚放置；
  • VDD_1V8 与 GND 之间并联 1μF+0.1μF 电容，参考源 REFIO 并联 10μF 电容，VCMOUT 并联 1μF 电容；
• PCB 布局 ：
  • 划分模拟区（AINx、REFIO、VCMOUT）与数字区（LVDS、SPI），模拟地与数字地单点连接；
  • 模拟输入布线对称，避免与数字信号线交叉，SMPL_CLK 布线长度匹配，减少通道间时延差；
  • LVDS 信号线采用差分布线，阻抗控制 50Ω，长度匹配 ±5mm，靠近接收端并联 100Ω 匹配电阻；
• 输入保护 ：模拟输入建议串联 10Ω 限流电阻，防止浪涌电流损坏器件，AC 耦合时需通过电阻网络匹配共模电压至 VCMOUT。