ADS9218双路同步采样 18 位 SAR ADC 技术文档总结

ADS921x是18位、高速、双通道、同步采样、模数转换器（ADC）系列，具有用于ADC输入的集成驱动器。集成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器，集成ADC基准电压缓冲器针对宽带宽应用进行了优化。

ADS921x使用串行LVDS （SLVDS）数据接口，可实现高速数字通信，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：ads9218.pdf

特性

• 高速低功耗：
  • ADS9219：20MSPS/通道，230mW/通道
  • ADS9218：10MSPS/通道，146mW/通道
  • ADS9217：5MSPS/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：
  • 18 位无缺失码
  • INL：±1LSB，DNL：±0.75LSB
  • 信噪比：95.5dB和104.5dB信噪比，OSR = 16
• 宽输入带宽 （–3dB）：
  • ADS9219和ADS9218：90MHz
  • ADS9217：45MHz
• 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

ADS921x 系列（含 ADS9217/ADS9218/ADS9219）是德州仪器（TI）推出的高集成度双路同步采样 18 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、超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对精度与速度均有严苛要求的场景，工作温度覆盖 - 40°C~+125°C 工业级范围，兼具低失真、低功耗与宽频带特性。

一、核心特性与器件差异

1. 共性核心特性

• 超高精度同步采样 ：
  • 18 位分辨率无失码（NMC），微分非线性（DNL）最大 ±0.9LSB（典型 ±0.4LSB），积分非线性（INL）最大 ±1.9LSB（-40°C+125°C）/±1.125LSB（0°C70°C），适配高精度测量场景；
  • 低直流误差：输入偏移误差典型 ±40LSB，偏移漂移典型 0.1nA/°C；增益误差最大 ±0.05% FSR，增益漂移典型 2ppm/°C，温漂特性优异；
  • 卓越 AC 性能：1kHz 输入时，信噪比（SNR）典型 95.5dBFS、总谐波失真（THD）典型 - 118dB、无杂散动态范围（SFDR）典型 118dB，通道隔离串扰典型 120dB，1MHz 输入时 SNR 仍达 94.9dBFS，高频性能稳定。
• 宽频带与灵活速率 ：
  • 输入带宽（-3dB）：ADS9219/ADS9218 达 90MHz，ADS9217 达 45MHz，支持 1MHz 以上高频信号采集，适配电机控制、射频信号采样等场景；
  • 过采样增强：支持 2/4/8/16 倍过采样（OSR），OSR=16 时 SNR 提升至 104.8dBFS，进一步降低噪声，提升弱信号检测能力。
• 高集成模拟前端 ：
  • 集成 ADC 输入驱动放大器：高阻抗输入（等效输入网络含 22pF 电容与 0.6Ω/2Ω 电阻），无需外部缓冲电路，简化信号链并降低功耗；
  • 内置高精度参考源：4.096V 内部参考（温度漂移典型 6ppm/°C，最大 20ppm/°C），支持外部参考输入（4.076V~4.116V），REFIO 引脚需并联 10μF 陶瓷去耦电容；
  • 共模电压缓冲：VCMOUT 引脚输出典型 2.4V 共模电压，用于匹配 ADC 输入共模电压（需 ±70mV 范围内），需并联 1μF 去耦电容至 GND。
• 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（18 位数据 + 2 位用户位）或 24 位（18 位数据 + 6 位用户位），默认 24 位，支持数据随机化（XOR 操作）降低接地反弹干扰；
  • 同步时钟输出：DCLK（数据时钟）与 FCLK（帧时钟）同步数据传输，时钟频率最高 480MHz（2 通道 DDR 模式），数字噪声耦合低，适配高速 FPGA/MCU 接收。
• 功能增强与可靠性 ：
  • 内置 10 位温度传感器：精度 ±2.5°C，通过 SPI 配置寄存器（0x90/0x91）读取，温度计算公式：；
  • 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 24 位 I/Q 复数信号，支持频率捷变，适配射频信号下变频采样；
  • ESD 防护：模拟输入 ±2000V（HBM）、其他引脚 ±1000V（HBM）、全引脚 ±500V（CDM），符合 JEDEC JESD22 标准，工业环境可靠性高。

2. 器件差异（ADS9217 vs ADS9218 vs ADS9219）

参数	ADS9217	ADS9218	ADS9219
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）
数据帧宽支持	20 位 / 24 位	仅 24 位	仅 24 位
1 通道输出兼容性	支持（SDR/DDR）	仅过采样时支持	仅过采样时支持

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，确保高功率下的散热可靠性。

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），需匹配 VCMOUT 共模电压
电源与地	AVDD_5V、VDD_1V8、GND、REFM	电源输入	AVDD_5V（5V 模拟电源，供电 ADC 驱动）、VDD_1V8（1.8V 数字电源，供电 LVDS / 配置接口）；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，确保参考稳定性
共模电压	VCMOUT	模拟输出	共模电压输出（ADS9219 典型 2.460V，ADS9217 典型 2.385V），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（最高 480MHz），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），时钟抖动需≤0.8ps RMS 以保证 SNR 性能
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：0 = 外部参考，1 = 内部参考）
同步与测试	SMPL_SYNC、PWDN	数字输入	SMPL_SYNC 用于多器件同步 / 过采样滤波器复位，PWDN 用于掉电控制（低有效，掉电电流典型 2mA）

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）	4.75V~5.25V	5V	需就近并联 1μF（X7R 陶瓷）+0.1μF（陶瓷）电容去耦，模拟地与数字地单点连接，避免噪声耦合
VDD_1V8（数字）	1.75V~1.85V	1.8V	独立去耦，与 AVDD_5V 隔离布线，LVDS 接口供电需稳定，防止时钟抖动影响数据传输
参考源电压	内部 4.096V；外部 4.076V~4.116V	4.096V	REFIO 需并联≥10μF 电容，外部参考推荐 TI REF7040（2ppm/°C 温漂）

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
输入偏置电流（IB）	常温下	0.1	nA
孔径抖动（RMS）	差分 LVDS 时钟	0.3	ps
LVDS 差分输出电压	RL=100Ω	350	mV
掉电电流（AVDD_5V）	PWDN 使能	2	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→二阶 RC 滤波→SAR ADC→数字信号处理（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，通道间相位差极小，适配功率分析中电压 / 电流同步测量场景；
• 共模匹配 ：输入信号共模电压需严格匹配 VCMOUT（±70mV），否则可能导致 ADC 通道掉电，AC 耦合时需通过电阻网络将共模电压拉至 VCMOUT 水平。

2. 数据处理与接口配置

• 过采样（OSR）增强 ：
  • 通过寄存器（0x0D/0xC0/0xC4）配置 2/4/8/16 倍过采样，OSR=16 时输出速率降至采样率的 1/16，但 SNR 提升至 104.8dBFS，适合弱信号检测；
  • 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，确保多通道数据一致性。
• 数字下变频器（DDC） ：
  • 集成 24 位 NCO 与数字混频器，NCO 频率通过寄存器（0xFD/0xFE）配置，公式为fNCO ​ =224fSMPLCLK​ ​ ×(NCOFREQUENCY**[ 23 : 0 ]&0xFFFF0**)**Hz；
  • 输出 48 位 I/Q 复数数据（每通道 24 位 I+24 位 Q），可直接用于信号解调，减少后端 FPGA/MCU 算力消耗。
• LVDS 接口模式 ：
  • 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），ADS9219/ADS9218 的 1 通道模式仅支持过采样时使用；
  • 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，例如 20MSPS 采样率、2 通道 DDR 时，DCLK=240MHz；
  • 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，需确保 DCLK≤600MHz（LVDS 接口上限）。

3. 低功耗与复位模式

• 分级掉电 ：
  • 通道掉电（PD_CH 寄存器）：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 寄存器）：关闭所有电路，仅保留寄存器配置，AVDD_5V 电流典型 2mA，适配间歇采样场景；
• 复位机制 ：
  • 硬件复位（RESET 引脚低有效）或软件复位（RESET 寄存器位），复位后寄存器恢复默认值，需重新初始化配置，电源上电时间典型 25ms。

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：0 = 菊花链，1 = 传统模式）、读使能（SPI_RD_EN）、芯片复位（RESET）；
  • 01h：菊花链长度（DAISY_CHAIN_LEN），支持 1~32 个器件级联；
  • 03h：寄存器组选择（REG_BANK_SEL：0=Bank0，2=Bank1，16=Bank2）。
• 功能寄存器（Bank 1） ：
  • 0Dh：数据格式（DATA_FORMAT：0 = 二进制，1 = 二进制补码）、过采样使能（OSR_EN）、增益校准使能（GE_CAL_EN1）；
  • 12h：数据通道数（DATA_LANES：0=2 通道 24 位，2=2 通道 24 位，5=1 通道 20 位，7=1 通道 24 位）、XOR 随机化使能（XOR_EN）；
  • 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：0 = 内部，1 = 外部）、数据速率（DATA_RATE：0=DDR，1=SDR）；
  • 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：0→1 触发加载）；
  • 91h：10 位温度传感器数据（TEMPERATURE_SENSOR），读取后需将 TS_LD 置 0 复位。

2. SPI 配置流程

• 写操作 ：需 2 个 24 位帧，第 1 帧选择寄存器组（Bank1/2），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（SPI_RD_EN=1），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，18 位精度 + 95.5dB SNR 确保功率计算误差＜0.1%，适配新能源、工业电机等高精度功率测量；
• 源测量单元（SMU） ：低偏移漂移（0.1nA/°C）与高 SNR，支持 pA 级微弱电流测量，满足半导体器件测试需求；
• 伺服驱动位置反馈 ：90MHz 带宽 + 20MSPS 采样率，快速捕获电机位置信号，配合 DDC 功能实现实时相位补偿。

2. 设计建议

• 电源与去耦 ：
  • AVDD_5V 与 GND 之间并联 1μF（X7R，0603 封装）+0.1μF（陶瓷），距离引脚＜2mm；VDD_1V8 同理，且模拟地与数字地仅在热焊盘处单点连接；
  • REFIO 引脚并联 10μF X5R 陶瓷电容至 REFM，避免参考噪声影响 ADC 精度。
• PCB 布局 ：
  • 划分模拟区（AINx、REFIO、VCMOUT）与数字区（LVDS、SPI），模拟信号线采用差分布线，阻抗控制 50Ω，长度匹配 ±5mm；
  • 采样时钟（SMPL_CLK）采用屏蔽布线，差分对长度差＜1mm，避免时钟抖动导致 SNR 下降；LVDS 信号线需外接 100Ω 差分匹配电阻（靠近接收端）。
• 输入保护 ：
  • 模拟输入建议串联 10Ω 限流电阻 + 22pF 滤波电容，防止浪涌电流损坏内部 OVP 电路；
  • 共模电压匹配：通过 THS4552 等全差分放大器将输入信号共模电压拉至 VCMOUT，避免通道掉电。