DDC3256 256 通道电流输入模数转换器技术总结

该DDC3256是一款 24 位、256 通道、电流输入模数 （A/D） 转换器。它结合了通过电流积分进行的电流到电压转换和 A/D 转换。

多达 256 个单独的低电平电流输出设备（例如光电二极管）可以直接连接到其输入并并行（同时）数字化。
*附件：ddc3256.pdf

对于 256 个输入中的每一个，该器件都有一个低噪声和低功耗积分器，旨在捕获来自传感器的所有电荷。积分时间可在 50 μs 至 1.6 ms 之间调节，允许以出色的精度连续测量 fA 至 μA 量级的电流。积分器的输出由片内低功耗ADC数字化，转换后的数字代码通过单个LVDS对传输，旨在最大限度地减少高通道数环境中的噪声耦合。

该DDC3256采用1.85V单电源供电。该器件的工作额定温度范围为 0°C 至 70°C，采用 13.2 × 17.2 mm 2 336 焊球 0.8 mm 间距 BGA 封装。片内基准电压缓冲器和旁路电容器（在BGA上）有助于最大限度地减少外部元件要求，并进一步减少电路板空间。

特性

• 单芯片解决方案，可直接同时测量 256 个低电平电流
• 可调节的满量程充电范围高达 320 pC
• 输入电流：1 μA（最大值）
• 可调速度，积分时间低至 50 μs（每通道 20 KSPS）
• 分辨率：24 位
• 低功耗：1.2 mW/通道
• 积分非线性度：读数的 ±0.025% ±满量程范围的 1 ppm（所有通道均处于活动状态）
• 低噪声：320 pC FSR 时为 0.26 fCrms，传感器电容为 20 pF
• 无电荷损失
• 片上温度传感器
• 串行LVDS输出接口
• 1.85V 单电源
• 封装内旁路电容和基准电压缓冲器，可减少PCB面积和设计复杂性

参数

方框图

DDC3256 是德州仪器（Texas Instruments）推出的 高集成度 256 通道电流输入模数转换器（ADC） ，专为多通道低电平电流同步采集场景设计，通过集成电流积分与 ADC 转换功能，实现对光电二极管、X 射线探测器等器件输出电流的高精度数字化，适用于 CT 扫描仪、X 射线检测、光纤功率监测等对通道密度与采集精度要求严苛的领域。以下从核心特性、性能参数、功能架构、应用设计及订购信息等方面展开总结。

一、核心特性与产品定位

1. 基础参数与架构

• 通道与转换架构 ：
  • 通道数量：256 路并行电流输入（IN [255:0]），支持同时采集 256 个低电平电流信号，无需外部多路复用器，减少信号延迟与失真。
  • 转换原理：采用电流积分 + 内置 ADC架构，每通道独立低噪声积分器捕获传感器电荷，积分输出直接由片内 ADC 数字化，避免外部信号调理电路引入的误差。
  • 分辨率与速率：24 位分辨率，积分时间可配置（50μs-1.6ms），对应每通道采样率 20KSPS（50μs 积分）至 625SPS（1.6ms 积分），适配从高速动态信号到低速高精度信号的采集需求。
• 输入与电荷范围 ：
  • 输入电流：最大 1μA，支持飞安（fA）级至微安（μA）级电流测量，兼容光电二极管、电流输出传感器等低电流器件。
  • 满量程电荷（FSR）：可调至 320pC，配合 20pF 传感器电容时噪声仅 0.26fC_rms，保障微弱电荷信号的高精度转换。
• 供电与封装 ：
  • 供电：单 1.85V 电源（AVDD_1V85），每通道功耗仅 1.2mW，总功耗低至 307.2mW（256 通道全激活），适配低功耗系统。
  • 封装：336 引脚 NFBGA（17.2mm×13.2mm，0.8mm 引脚间距），内置旁路电容（5 个 1μF）与基准缓冲器，减少外部元器件数量，节省 PCB 面积；工作温度范围 0°C 至 70°C，满足工业与医疗设备常温工况需求。
• 接口与同步 ：
  • 数据接口：串行 LVDS 接口（DOUTP/DOUTM），单对差分线传输 256 通道数字码，降低多通道布线复杂度与噪声耦合，适配高通道密度系统的信号传输需求。
  • 控制接口：SPI 接口（SEN/SCLK/SDATA/SDOUT），用于配置积分时间、满量程范围等参数，支持灵活调整采集模式。

2. 典型应用场景

• 医疗影像 ：CT 扫描仪数据采集系统，256 通道同步采集探测器阵列输出电流，高分辨率与低噪声保障断层图像清晰度。
• 射线检测 ：X 射线检测系统，适配多像素 X 射线探测器，实时捕获射线强度对应的电流信号，实现高精度剂量测量与成像。
• 光学监测 ：光纤功率监测、光电二极管阵列应用，256 通道并行采集光功率对应的电流信号，支持大规模光学阵列的同步监测。
• 工业仪器 ：多通道电流 / 电压测量仪器，无需外部调理电路即可直接接入多个电流输出传感器，简化多参数监测系统设计。

二、关键性能指标

1. 核心电气性能（典型值，0°C 至 70°C，AVDD=1.85V）

性能参数	测试条件	典型值 / 范围	单位
动态与精度性能
分辨率	无失码设计	24 Bits
积分非线性（INL）	全通道激活，任意通道读数	±0.025% 读数 ±1ppm 满量程
噪声水平	320pC 满量程，20pF 传感器电容	0.26 fC_rms
电荷损失	积分与转换过程中	无	-
输入与积分特性
最大输入电流	连续输入	1 μA
满量程电荷（FSR）	可调范围	0-320 pC
积分时间	配置范围	50 μs-1.6 ms
每通道采样率	对应积分时间	625 SPS-20 KSPS
供电与功耗
供电电压	模拟 / 数字统一供电	1.85 V
每通道功耗	全激活状态	1.2 mW
总功耗	256 通道全激活	307.2 mW
辅助功能
温度监测	片内温度传感器	支持	-
基准电压	内置 1.25V 低噪声基准 + 缓冲器	1.25 V

三、核心功能架构

1. 模拟前端与积分系统

（1）通道级积分器

• 每通道独立设计 ：
  • 低噪声积分器：256 个独立积分器，每个积分器优化输入噪声与偏移，支持捕获传感器输出的微弱电荷，积分电容与反馈电阻参数匹配，保障 256 通道一致性。
  • 电荷保持：积分过程中无电荷损失，确保积分结果准确反映输入电流的累积量，尤其适配低速长时间积分场景（如 1.6ms 积分时间的高精度测量）。
• 积分时间配置 ：
  • 通过 SPI 接口配置积分控制寄存器，调整积分周期（50μs-1.6ms），实现采样率与精度的权衡 —— 短积分时间（50μs）适配高速动态信号，长积分时间（1.6ms）提升电荷采集量，降低噪声影响。

（2）片内 ADC 与数据传输

• ADC 与多路复用 ：
  • 内置 ADC：片内集成低功耗 ADC（ADC [1:0]），配合 256:2 多路复用器（MUX），对 256 通道积分输出依次数字化，24 位分辨率确保积分结果的高精度转换。
  • 数据序列化：ADC 输出数字码经 LVDS 序列化模块处理后，通过单对 LVDS 差分线（DOUTP/DOUTM）传输，减少 PCB 布线数量（仅需 2 根线传输 256 通道数据），降低电磁干扰（EMI）。
• 时钟与同步 ：
  • 时序生成（TG）：片内时序发生器提供积分控制（CONVP/CONVM）、主时钟（MCLKP/MCLKM）、数据时钟（DCLKP/DCLKM）等信号，确保积分、ADC 转换、数据传输的同步，无需外部时序控制器。

2. 辅助功能与系统集成

（1）基准与电源管理

• 基准电路 ：
  • 内置 1.25V 低噪声电压基准，配合基准缓冲器（VREF BUFFER），为积分器与 ADC 提供稳定参考电压，减少外部基准引入的噪声与漂移。
  • 片内 LDO：集成低噪声低压差稳压器（LDO），优化电源噪声抑制，保障模拟电路供电稳定性，尤其适配 1.85V 单电源系统。
• 旁路电容 ：
  • BGA 封装内置 5 个 1μF 旁路电容，直接并接于模拟电源（AVDD_1V85）与地之间，无需外部大容量电容，节省 PCB 面积并提升电源噪声抑制能力。

（2）监测与测试功能

• 温度监测 ：片内集成温度传感器，可实时采集器件温度，用于温度漂移补偿或系统热管理，提升宽温环境下的测量精度。
• 测试点（TP） ：提供测试点（如 DIG_TP、TP_SEL）与测试电压输入（VTESTC），支持生产测试与系统调试，验证通道功能与性能一致性。

四、应用设计要点

1. 电源与布局设计

• 供电配置 ：
  • 电源滤波：AVDD_1V85 引脚需外接 0.1μF 陶瓷电容（靠近引脚），配合片内内置电容，进一步抑制电源噪声；电源路径采用宽铜皮（≥0.5mm），降低压降。
  • 接地设计：模拟地（AGND）与数字地（QGND）采用 “星形单点连接”，避免地环流；积分器与 ADC 区域铺完整地平面，减少外部噪声耦合。
• 布局原则 ：
  • 输入路径：电流输入引脚（IN [255:0]）与传感器之间采用短路径、低阻抗布线（铜皮宽度≥0.2mm），避免寄生电阻 / 电容影响电流采集；输入路径远离数字信号线（如 SPI、LVDS），减少串扰。
  • LVDS 链路：DOUTP/DOUTM 差分对采用等长布线（长度差≤0.5mm），阻抗控制 50Ω，远离电源迹线与高频时钟线，降低 EMI 干扰。
  • 散热设计：336 引脚 BGA 底部热焊盘需与 PCB 地平面良好焊接，配合散热过孔，确保 256 通道全激活时的热量有效散出，避免结温过高影响性能。

2. 接口与配置设计

• SPI 控制接口 ：
  • 引脚连接：SEN（片选）、SCLK（时钟）、SDATA（数据输入）、SDOUT（数据输出）需配置上拉电阻（1kΩ-10kΩ 至 1.85V），确保空闲状态稳定；时钟频率建议不超过 10MHz，避免高频噪声影响模拟电路。
  • 核心配置：通过 SPI 写入寄存器配置积分时间（如 50μs 对应 20KSPS 采样率）、满量程电荷（如 320pC），读取通道转换数据与温度传感器值，实现系统动态调整采集参数。
• LVDS 数据接口 ：
  • 接收端匹配：LVDS 输出（DOUTP/DOUTM）需在 FPGA / 处理器接收端并联 100Ω 差分匹配电阻，减少信号反射；传输距离建议≤10cm（板级），如需长距离传输需增加 LVDS 中继器。