ADS7945/6 双通道 14 位 2 MSPS 超低功耗 ADC 技术文档总结

ADS7945/6是14位、2MSPS的模数转数字转换器（ADC），分别支持差分和单端输入。这些设备以2 MSPS采样率运行，采用标准16时钟的数据帧。这些设备既具备卓越的直流精度和出色的动态性能;该ADS7946与8/10/12位ADS7947/8/9设备在引脚上兼容。这些设备包括一个双通道输入复用器和一个低功耗连续逼近寄存器（SAR）ADC，带有固有采样保持（S/H）输入级。
*附件：ads7945.pdf

ADS7945/6支持宽广的模拟供电范围，使全量量输入范围可扩展至±5伏差动或5伏单端。一个简单的SPI™配备低至1.65伏的数字电源，便于与各种数字控制器的接口。在较低速度运行时可以启用自动断电功能，以大幅降低功耗。

ADS7945/6采用3毫米×3毫米QFN封装，能够在–40°C至+125°C的扩展温度范围内实现完整规格，适用于追求高性能、低功耗和小型封装尺寸的各种数据采集应用。

特性

• 采样率：2 MSPS
• 14位，与8/10/12位 ADS7947/8/9 系列（ADS7946）针脚兼容
• 杰出表现：
  • 信噪比：84 dB（ADS7945）
  • 没有缺失的代码
  • 内伤：1.5 最高 上级（ADS7945）
• 低功耗：
  • 11.6毫瓦，2 MSPS 运行
  • 低速自动断电：500 kSPS时7.2毫瓦，100 kSPS时1.4毫瓦，20千每秒时0.3毫瓦
• 供应范围广泛：
  • 模拟电压：2.7 V 至 5.25 V
  • 数字：1.65伏到AVDD
• 简单串行接口（SPI）
• 完全指定范围为–40°C至+125°C
• 极小的占地：3毫米×3毫米QFN尺寸

参数

方框图

ADS7945/6 是德州仪器（TI）推出的两款 14 位双通道 SAR 架构 ADC，ADS7945 支持差分输入，ADS7946 支持单端输入（带地感引脚），采样率高达 2 MSPS，具备超低功耗、宽供电范围及紧凑封装特性，通过 SPI 接口实现数据传输，适用于光网络、医疗仪器、电池供电设备及数据采集系统等场景。

一、芯片基础信息与核心特性

1. 基础规格

• 文档与型号 ：文档编号 SBAS539B，2011 年 6 月发布、2011 年 9 月修订；ADS7945（差分输入）与 ADS7946（单端输入）引脚兼容同系列 8/10/12 位产品（ADS7947/8/9）。
• 供电与温度 ：模拟电源（AVDD）2.7V-5.25V，数字电源（DVDD）1.65V-AVDD；工作温度 - 40°C 至 125°C，存储温度 - 65°C 至 150°C。
• 封装与散热 ：3mm×3mm 16 引脚 WQFN 封装，结到环境热阻 54.3°C/W，结到板热阻 19.2°C/W，体积小巧适合空间受限场景。

2. 核心性能指标

• 分辨率与精度 ：14 位分辨率，无失码；ADS7945 的 INL±1.5 LSB、DNL±1.5 LSB，ADS7946 的 INL±2.5 LSB、DNL±2.0 LSB，偏移误差与增益误差均为 ±4 LSB，精度优异。
• 采样与动态性能 ：最高采样率 2 MSPS，转换时间 16 个 SCLK 周期，采集时间 80 ns；ADS7945 的 SNR 达 84 dB、THD-92 dBc、SFDR 94 dBc，ADS7946 的 SNR 达 82 dB、THD-85 dBc、SFDR 86 dBc，全功率带宽 15 MHz。
• 功耗特性 ：2 MSPS 时功耗 11.6 mW，支持自动掉电模式，采样率越低功耗越低（500 kSPS 时 7.2 mW、20 kSPS 时 0.3 mW）；掉电模式静态电流仅 2.5 µA，功耗优势显著。
• ESD 与可靠性 ：人体放电模型（HBM）2000 V，带电器件模型（CDM）500 V，机械模型（MM）200 V，具备基础静电防护；输入泄漏电流 1.5 nA（125°C），稳定性良好。

二、关键功能模块与工作原理

1. 核心功能模块

• 双通道输入架构 ：
  • ADS7945：差分输入（AIN0P/AIN0N、AIN1P/AIN1N），输入范围 ±VREF，共模电压 VREF/2±0.2 V，可抑制共模噪声。
  • ADS7946：单端输入（AIN0/AIN0GND、AIN1/AIN1GND），输入范围 0-VREF，地感引脚允许 ±0.2 V 偏移，适配不同地电位传感器。
  • 两者均内置双通道多路选择器和采样保持电路，输入电容 32 pF，支持通道快速切换（CH SEL 引脚控制）。
• SPI 接口与工作模式 ：
  • 支持 16 时钟帧（最快模式，边采样边输出数据）和 32 时钟帧（先转换再输出），SCLK 最高频率 40 MHz，数据输出为二进制补码（ADS7945）或纯二进制（ADS7946）。
  • 专用 PDEN 引脚启用自动掉电模式，低采样率下可大幅降低功耗；支持转换中止功能，可快速响应外部事件触发。
• 关键电气特性 ：
  • 电源抑制比 60 dB（500 Hz 正弦波），过渡噪声 25 µV RMS，信号完整性优异；输入耐压范围 - 0.3 V 至 AVDD+0.3 V，具备一定过压防护。

2. 工作原理

• 模拟信号经多路选择器切换后，由采样保持电路捕获，再通过 14 位 SAR ADC 转换为数字信号；转换过程依赖外部参考电压（REF 引脚），参考电压范围 2.5V-AVDD，需与 REFGND 引脚就近 decoupling。
• SPI 接口通过 CS（片选）、SCLK（时钟）、SDO（数据输出）实现通信，CS 拉低启动采样，SCLK 提供转换时钟，转换完成后通过 SDO 输出 14 位数字数据，支持连续采样或单次采样模式。

三、应用场景与设计建议

1. 典型应用

• 光网络设备 ：高速采样配合高 SNR，适配光信号强度监测与数据采集。
• 医疗仪器 ：低功耗与高精度兼顾，适合便携式医疗设备的生理信号采集（如心电、血氧信号）。
• 电池供电设备 ：自动掉电模式下功耗极低，延长电池续航，适配移动终端数据采集。
• 数据采集系统 ：双通道设计支持多传感器同步采集，差分输入可抑制工业环境噪声。

2. 设计注意事项

• 电源与 decoupling ：AVDD 与 DVDD 需独立供电，AVDD 建议使用线性稳压器；REF 与 REFGND 引脚就近并联 1 µF 陶瓷电容，各电源引脚需并联 0.1 µF decoupling 电容，降低电源噪声。
• 输入驱动设计 ：
  • 差分输入（ADS7945）建议使用高速运放（如 OPA836）驱动，输入端并联 470 pF 电容抑制采样毛刺，源阻抗需匹配以确保信号 settling。
  • 单端输入（ADS7946）可直接连接传感器，地感引脚需靠近信号地，避免地电位差影响测量精度。
• SPI 接口布局 ：SCLK、CS、SDO 信号线需短距走线，SDO 引脚建议串联 47 Ω 终端电阻，减少信号反射；模拟与数字信号分区域布线，共享接地平面并通过多过孔连接，降低串扰。
• ESD 防护 ：芯片 ESD 防护能力有限，装配与调试时需采取防静电措施，模拟输入引脚避免直接暴露。

四、关键配置与操作要点

1. 核心功能配置

• 通道选择 ：通过 CH SEL 引脚控制通道切换（低电平选通道 0，高电平选通道 1），建议在 CS 拉低后、第二个 SCLK 上升沿前切换通道，确保信号稳定。
• 掉电模式启用 ：PDEN 引脚在 CS 上升沿时为高电平，启用掉电模式；掉电后唤醒需等待 1 µs + 采集时间，确保 ADC 稳定工作。
• 参考电压配置 ：优先使用 TI REF50xx 系列精密参考源，确保 REF 与 AVDD 差值大于 0.2 V；若使用 AVDD 作为参考，需加强 AVDD decoupling。

2. 操作流程

• 采样启动 ：拉低 CS 启动采样，SCLK 提供时钟（最高 40 MHz），16 个 SCLK 周期后转换完成，SDO 输出数据（MSB 先行）。
• 转换中止 ：转换过程中拉高 CS 可中止当前转换，重新拉低 CS 启动新采样，中止后下一帧数据无效，需丢弃。
• 低功耗优化 ：采样率低于 500 kSPS 时，启用 32 时钟帧 + 掉电模式，可显著降低功耗；无需采样时，保持 PDEN 高电平与 CS 高电平，使芯片处于掉电状态。