ADS8634/8638 12 位多通道双极性输入 SAR ADC 技术文档总结

ADS8634和ADS8638（ADS8634/8）是12位模拟转数字转换器（ADC），能够测量最高±10V的输入，且功率为1MSPS。通过连续近似寄存器（SAR）磁芯，这些ADC提供了采样保持的前端，转换时无延迟。ADS8634包含一个输入复用器（mux），可测量最多四个输入。ADS8638最多可测量八个输入。
*附件：ads8634.pdf

除了输入多路复用器外，ADS8634/8还配备了内部温度传感器、电压参考和数字比较器，用于在每个输入设置报警阈值;因此，所需的外部组件数量极少。一个简单的兼容SPI接口支持通信和控制。数字电源的电压范围从5V一直到1.8V，可直接连接各种处理器和控制器。

ADS8634/8非常适合要求严格的工业测量应用，其在-40°C至+125°C的工业温度范围内实现了完整规格，并采用小型QFN-24封装。

特性

• 可选输入范围：
  ±10V、±5V、±2.5V、0V至10V，或
  0V至5V
  ，最高可达±12V（含外部参考）
• 无潜在转换，最高可达1MSPS
• 卓越性能：
  12位无缺码
  内长：±0.9 声
  波 信噪比：71.8dB
• 高度集成：
  4通道或8通道输入多路复用
  器温度传感器
  ，每个通道的内部电压参考
  报警阈值
• 低功耗：
  14.45mW（1MSPS
  ）时 5.85mW（0.1MSPS
  ）灵活断电模式
• 兼容SPI™的串行接口
• 扩展温度范围：
  –40°C至+125°C
• 小尺寸：4毫米×4毫米QFN封装

参数

方框图

ADS8634/8638 是德州仪器（TI）推出的两款高集成度 SAR 架构 ADC，核心差异为通道数量（ADS8634：4 通道；ADS8638：8 通道），均支持 1MSPS 采样率、软件可选输入范围与丰富报警功能，适用于工业过程控制（PLC）、数据采集系统、高速闭环系统等场景，尤其适配需多通道双极性信号测量的工业应用。

一、芯片基础信息与核心特性

1. 基础规格

• 型号与系列差异 ：属于同一系列，仅通道数量不同（4 通道 / 8 通道），功能配置完全一致；文档编号 SBAS541A，2011 年 5 月发布、2011 年 8 月修订。
• 供电与温度 ：模拟电源（AVDD）2.7V-5.25V，数字电源（DVDD）1.65V-5.25V，高压电源（HVDD/HVSS）±10V-±15V；工作温度 - 40°C 至 125°C，存储温度 - 65°C 至 150°C，满足宽温工业环境需求。
• 封装与散热 ：4mm×4mm 24 引脚 VQFN 封装，结到环境热阻 32.6°C/W，结到板热阻 3.3°C/W，底部裸露焊盘需焊接至 PCB 接地平面，兼顾散热与抗干扰性能。

2. 核心性能指标

• 分辨率与精度 ：12 位分辨率，无失码；INL 最大 ±1.5LSB，DNL 最大 ±1.6LSB，总未调整误差（TUE）±0.23% FS；偏移误差 ±3LSB，增益误差 ±8LSB，偏移温度系数 0.75ppmFS/°C，增益温度系数 1.2ppm/°C，温漂特性优异。
• 输入与动态性能 ：软件可选双极性（±2.5V/±5V/±10V）与单极性（0V-5V/0V-10V）输入范围，外部参考下可扩展至 ±12V；SNR 典型 71.8dB，THD 在 1kHz 时 - 81dB，SFDR 在 1kHz 时 - 83dB，全功率带宽 1MHz；输入电容 8pF，输入泄漏电流在 125°C 时最大 200nA。
• 功耗与接口 ：1MSPS 采样率下总功耗 14.45mW，0.1MSPS 时仅 5.85mW，支持灵活掉电模式；SPI 兼容串行接口，支持 16MHz-20MHz SCLK，数据输出格式为 16 位（4 位通道地址 + 12 位转换结果）。
• ESD 与可靠性 ：人体放电模型（HBM）±2000V，带电器件模型（CDM）±500V，静电防护能力满足工业级要求；集成内部温度传感器，绝对精度 ±5% FS，支持设备温度监测。

二、关键功能模块与工作原理

1. 核心功能模块

• 多通道采样与灵活输入 ：
  • 内置 4/8 通道输入多路选择器，支持手动扫描与自动扫描模式，自动扫描可自定义选择待扫描通道，按升序循环采样。
  • 输入支持双极性与单极性信号，通过软件配置切换，每个通道可独立分配输入范围，满足不同传感器信号适配需求；AINGND 引脚作为输入公共端，支持 ±0.2V 地电位差，适配模块化系统接地差异场景。
• 高集成辅助功能 ：
  • 集成 2.5V 内部参考（初始精度 ±1.2%，温度漂移 20ppm/°C），支持 2.0V-3.0V 外部参考，参考引脚需并联 10µF 去耦电容。
  • 内置每通道独立高低报警功能，支持 12 位阈值与 4 位滞回设置，报警输出可通过 AL_PD 引脚配置（主动高报警 / 低有效掉电），同时提供活跃报警标志与锁定报警标志，便于故障追溯。
• 低功耗与温度监测 ：
  • 支持异步掉电（AL_PD 引脚）与寄存器控制掉电，掉电状态下各电源电流仅 5µA，低速率采样时可通过缩短动态工作时间进一步降低功耗。
  • 集成内部温度传感器，可通过通道选择寄存器临时切换至温度测量模式，温度与输出码呈线性关系，支持温度报警阈值配置。

2. 工作原理

• 采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，采样由 CS 引脚下降沿触发，转换过程通过 SCLK 时钟完成，无转换延迟；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 SAR 核心转换为 12 位数字信号，转换结果随 SCLK 下降沿串行输出。
• 输入信号范围由寄存器配置决定，双极性信号采用偏移二进制格式输出，单极性信号采用二进制格式输出；报警功能通过数字比较器实时监测转换结果与阈值关系，满足条件时触发报警引脚与标志位。

三、应用场景与设计建议

1. 典型应用

• 工业过程控制 ：PLC 模拟量输入模块，适配压力、温度等双极性传感器信号采集，通过多通道设计减少器件数量。
• 数据采集系统 ：多通道数据记录仪，利用软件可选输入范围与高集成特性，简化系统外围电路，降低设计复杂度。
• 高速闭环系统 ：需快速响应的工业闭环控制，1MSPS 采样率与 71.8dB SNR 满足高速高精度信号测量需求。

2. 设计注意事项

• 电源与去耦 ：AVDD、DVDD、HVDD/HVSS 需独立供电，每个电源引脚就近并联 0.1µF 陶瓷去耦电容，AVDD 与 DVDD 建议额外配置 1µF 电容，高压电源需预留足够纹波抑制。
• 输入与参考设计 ：
  • 模拟输入需匹配所选范围，双极性信号需保证共模电压稳定，高阻抗信号源需在输入端并联旁路电容（推荐≥100pF），降低采样毛刺影响。
  • 优先使用内部参考以简化设计，若需更高精度可选用外部参考（如 REF30xx 系列），参考引脚与 REFGND 需短距离布线，减少干扰。
• 布局与接口 ：
  • 模拟区域与数字区域严格分区布线，模拟地与数字地共面且单点连接，HVDD/HVSS 布线需远离模拟输入通道，减少串扰。
  • SPI 接口需注意时序匹配，SCLK 最高频率随 DVDD 变化（1.8V 时 16MHz；3V/5V 时 20MHz），DOUT 引脚建议串联 50Ω 终端电阻，降低传输反射。
• 报警与掉电配置 ：
  • 报警阈值需结合输入范围与传感器特性设置，滞回值建议≥2LSB，避免频繁触发报警；AL_PD 引脚默认配置为掉电功能，需通过寄存器切换为报警输出。
  • 低速率采样时（<1MSPS），建议使用最高 SCLK 频率，延长器件静态工作时间，降低平均功耗。

四、关键配置要点

• 通道与扫描模式 ：通过 Auto-Md Ch-Sel 寄存器选择自动扫描通道，Manual/Auto 寄存器切换扫描模式；手动模式需逐帧指定通道，自动模式按升序循环扫描选定通道。
• 输入范围配置 ：通过 Ch0-Ch3/Ch7 Range 寄存器为每个通道分配输入范围，支持不同通道配置不同范围，也可通过 Manual/Auto 寄存器临时覆盖指定范围。
• 报警与温度监测 ：
  • 报警配置需切换至 Page1 寄存器，设置各通道高低报警阈值与滞回值，Page0 寄存器可读取报警标志位。
  • 温度测量需先通过 Aux-Config 寄存器启用温度传感器，再通过通道选择寄存器选择温度传感器通道，测量完成后切换回正常通道扫描。