ADS131A0x 系列 24 位 ΔΣ ADC 核心信息总结

ADS131A02和ADS131A04器件是双通道和四通道、同步采样、24位、三角积分（ΔΣ）、模数转换器（ADC）。宽动态范围、可扩展数据速率高达 128 kSPS 以及内部故障监控器，使ADS131A02或ADS131A04成为能源监控、电网保护和控制应用设计时的理想选择。ADC输入可以独立直接连接到电阻分压器网络、电流互感器或罗氏线圈，以测量电压或电流。提供灵活的电源选项，包括内部负电荷泵，可最大限度地提高高动态范围应用的有效分辨率。

提供异步和同步主从接口选项，在单个系统中链接多个器件时提供ADC配置灵活性。可以在接口上启用多个接口检查、ADC启动检查和数据完整性检查，以报告ADC中和数据传输期间的错误。

完整的模拟前端 （AFE） 解决方案采用 32 引脚 TQFP 封装，额定工作温度范围为 –40°C 至 +125°C。
*附件：ads131a02.pdf

特性

• 2 或 4 个同步采样差分输入
• 数据速率高达 128 kSPS
• 高性能：
  • 单通道精度：在 10,000：1 动态范围下优于 0.1%
  • 有效分辨率：8 kSPS 时为 20.6 位
  • 总谐波扰：50 Hz 和 60 Hz 时为 –100 dB
• 集成负电荷泵允许绝对输入电压低于地
• 灵活的模拟电源作：
  • 使用负电荷泵：3.0 V 至 3.45 V
  • 单极电源：3.3 V 至 5.5 V
  • 双极电源：±2.5 V
• 数字电源：1.65 V 至 3.6 V
• 低漂移内部基准电压源：6 ppm/°C
• ADC自检
• 通信中的循环冗余校验 （CRC） 和汉明码纠错
• 多种SPI数据接口模式：
  • 异步中断
  • 同步主从机
• 封装：32引脚TQFP
• 工作温度范围：
  –40°C 至 +125°C
  参数

方框图

ADS131A0x 是德州仪器推出的 2-4 通道同步采样 24 位 ΔΣ ADC 系列，包含 ADS131A02（2 通道）、ADS131A04（4 通道）两个型号，集成低漂移基准源与负电荷泵，支持多模式 SPI 接口，封装为 32 引脚 TQFP，兼具高动态范围、灵活供电与数据完整性保障特性，适配电能计量、电池管理、断路器、数据采集系统等工业与能源监测场景。

一、核心特性与关键参数

1. 基础性能

• 分辨率与采样速率：24 位分辨率，采样速率可通过过采样率（OSR）配置，最高达 128 kSPS，8 kSPS 时有效分辨率 20.6 位。
• 精度表现：积分非线性（INL）典型值 8 ppm、最大 20 ppm；失调误差典型值 500 μV，失调温漂 2.5 μV/°C（最大 4 μV/°C）；增益误差典型值 ±0.03% FS，增益温漂 0.5 ppm/°C（最大 2 ppm/°C），精度稳定。
• 输入配置：差分输入，输入范围 ±V_REF/Gain（V_REF 支持 2.442 V/4.0 V 内部基准或 2.0 V-AVDD-0.5 V 外部基准）；输入电容 3.5 pF，差分输入阻抗约 130 kΩ（f_MOD=4.096 MHz 时）。

2. 核心功能

• 动态性能：50/60 Hz 输入时 SNR 典型值 111 dB（V_REF=2.442 V）、115 dB（V_REF=4.0 V），THD 典型值 - 100 dB，无杂散动态范围（SFDR）≥102.5 dB，动态范围最高 115 dB，信号采集质量优异。
• 集成功能：内置低漂移基准源（温漂 6 ppm/°C），支持 2.442 V/4.0 V 切换；集成负电荷泵，可实现单电源下输入电压低于地电位（最低 - 1.5 V）；支持 5 档数字增益（1/2/4/8/16），适配不同幅度信号。
• 数据完整性：支持汉明码（单比特纠错、多比特检错）与 CRC16 校验，SPI 通信含帧错误、命令错误等多重故障检测，提升传输可靠性。

3. 功耗与可靠性

• 功耗特性：高分辨率模式下，ADS131A02 功耗典型值 12.5 mW，ADS131A04 典型值 15.8 mW；低功耗模式下功耗可降至 4.6 mW（A02）、5.3 mW（A04），待机模式功耗 2.6 mW，功耗优化灵活。
• 工作条件：模拟供电（AVDD-AVSS）支持单极性（3.0 V-5.5 V）、双极性（±2.5 V）或单极性 + 负电荷泵（3.0 V-3.45 V）；数字供电（IOVDD）1.65 V-3.6 V；工作温度 - 40°C 至 + 125°C，适应工业恶劣环境。
• 封装规格：32 引脚 TQFP 封装，尺寸 5.0 mm×5.0 mm，散热与布局兼容性良好，适合高密度 PCB 设计。

二、产品型号差异

型号	核心差异	适用场景
ADS131A02	2 通道同步采样	小型电能计量、双路数据采集、便携式监测设备
ADS131A04	4 通道同步采样	多相电能监测、电池组测试、多通道工业数据采集

三、应用场景

适用于商业 / 民用电能表、断路器、电池测试设备、电池管理系统（BMS）、工业数据采集系统等，尤其适配对同步采样、动态范围、供电灵活性有严格要求的能源监测与工业控制场景。

四、设计与使用建议

1. 电源与基准

• 电源设计：模拟电源（AVDD/AVSS）与数字电源（IOVDD/GND）独立供电，各电源引脚就近放置 1 μF 低 ESR 陶瓷去耦电容；启用负电荷泵时，VNCP 引脚需并联 270 nF 电容至 AVSS，确保输出稳定。
• 基准配置：优先使用内置基准（2.442 V/4.0 V 可配置），外部基准需连接 REFEXT 引脚并添加 RC 滤波（推荐带宽 < 10 Hz），减少基准噪声影响；REFP 与 REFN 引脚需分别并联 1 μF 电容，保障基准稳定性。

2. 输入与校准

• 输入保护：模拟输入电压需限制在 AVSS-0.3 V 至 AVDD+0.3 V（禁用电荷泵）或 AVSS-1.65 V 至 AVDD+0.3 V（启用电荷泵），建议添加 RC 抗混叠滤波器（电容选用 C0G/NPO 材质，容量≥1.2 nF），串联电阻≤2.2 Ω。
• 校准与配置：通过 COMP_TH 寄存器设置输入过压 / 欠压检测阈值；支持 16 档 OSR 配置，可在噪声与采样速率间平衡；各通道增益独立配置，适配不同量程传感器信号。

3. 接口与时序

• SPI 通信：支持异步中断、同步主 / 从三种模式，支持 16/24/32 位数据字长，可多器件级联扩展通道；SCLK 最高频率 25 MHz（IOVDD>2.7 V 时），通信时序支持 CPOL=0、CPHA=1。
• 时序要求：采样周期随 OSR 变化，128 kSPS 时周期 7.8125 μs；DRDY 引脚指示数据就绪，DONE 引脚支持多器件级联同步，确保多通道 / 多器件同步采集。

五、封装与订购信息

• 封装规格：32 引脚 TQFP（PBS 封装），尺寸 5.0 mm×5.0 mm，引脚间距 0.5 mm，需注意热焊盘接地以优化散热。
• 订购型号：批量供应型号如 ADS131A02IPBSR（1000 个 / 卷）、ADS131A04IPBS（250 个 / 托盘），符合 RoHS 标准，MSL 等级 2（1 年），峰值回流温度 260°C，引脚镀层为 NIPDAU。

六、关键设计要点

• 布局规范：PCB 划分模拟区、数字区与电源区，采用单一接地平面，避免地环路；模拟信号与数字信号分开布线，SCLK 等数字时钟远离模拟引脚；去耦电容距电源引脚不超过 20 mil，减少寄生参数。
• 功耗优化：低吞吐量场景可切换至低功耗模式（f_MOD 降至 1.05 MHz），闲置通道可关闭；通过 OSR 动态调整，低速率场景增大 OSR 以降低噪声，高速场景减小 OSR 提升响应速度。
• 前端设计：选择低噪声、高带宽运放（如 THS4531A）作为输入驱动，运放单位增益带宽需≥4 倍滤波器截止频率；电流测量场景可搭配电流互感器（CT）或罗氏线圈，电压测量需通过电阻分压将高压降至 ADC 输入范围。