深入解析ADS8471：16位、1-MSPS采样ADC的卓越性能与应用

 

在电子工程师的日常工作中，模拟 - 数字转换器（ADC）是不可或缺的关键组件。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）推出的ADS8471，一款16位、1-MSPS采样的高性能ADC，它在多个领域展现出了卓越的性能。

文件下载：ads8471.pdf

一、ADS8471概述

ADS8471是一款具有内部4.096 - V参考和伪双极性、单极性输入的16位、1 - MSPS A/D转换器。它采用了基于电容的16位逐次逼近寄存器（SAR）A/D转换器架构，自带采样和保持功能。该器件提供了全16位接口或使用两个读周期的8位总线选项，封装形式为48引脚的7x7 QFN封装，工作温度范围覆盖工业级的 - 40°C至85°C。

二、关键特性剖析

2.1 高精度转换

• 线性度：积分非线性（INL）典型值为±0.7 LSB，最大值为±1 LSB；微分非线性（DNL）典型值为±0.4 LSB，最大值为±0.75 LSB。这种高精度的线性度确保了转换结果的准确性。
• 分辨率：保证在整个温度范围内实现16位无失码分辨率，为高精度数据采集提供了可靠保障。
• 误差控制：偏移误差典型值为±0.1 mV，偏移误差漂移为±0.15 ppm/°C；增益误差典型值为±0.015 %FSR，增益误差漂移为±0.7 ppm/°C。这些低误差特性使得ADS8471在不同环境下都能保持稳定的性能。

2.2 出色的动态性能

• 信噪比（SNR）：高达93 dB，能够有效抑制噪声，提高信号质量。
• 总谐波失真（THD）：低至 - 110 dB，减少了谐波对信号的干扰。
• 无杂散动态范围（SFDR）：达到112 dB，确保了在复杂信号环境下的良好性能。

2.3 低功耗设计

在1 MSPS采样率下，功耗仅为220 mW，适合对功耗要求较高的应用场景。

2.4 灵活的输入与接口

• 输入范围：单极性输入范围为0 V至$V_{ref}$，满足多种信号输入需求。
• 参考与缓冲：片上集成参考和参考缓冲器，方便使用。
• 高速并行接口：支持8 - /16位总线传输，数字电源范围为2.7 V至5.25 V，具有良好的兼容性。

三、应用领域广泛

ADS8471的高性能使其在多个领域得到了广泛应用：

• 医疗仪器：在医疗设备中，高精度的数据采集对于准确诊断至关重要，ADS8471的高精度和低噪声特性能够满足医疗仪器的严格要求。
• 光网络：光网络需要高速、准确的数据转换，ADS8471的高采样率和出色的动态性能使其成为光网络应用的理想选择。
• 传感器接口：能够精确采集传感器输出的微弱信号，为传感器系统提供可靠的数据支持。
• 高精度数据采集系统：在需要高精度数据采集的工业、科研等领域，ADS8471能够发挥重要作用。
• 磁力计：为磁力计提供准确的模拟信号转换，确保磁力测量的精度。

四、技术细节解读

4.1 绝对最大额定值

在使用ADS8471时，需要注意其绝对最大额定值，如输入电压、电源电压等。例如，+IN到AGND的电压范围为 - 0.4 V至 + VA + 0.1 V，超出这些范围可能会对器件造成永久性损坏。

4.2 电气特性

• 模拟输入：输入电容为65 pF，输入泄漏电流较小。在设计输入电路时，需要考虑信号源的驱动能力，以确保在采集时间内将输入电容充电到16位的稳定水平。
• 系统性能：不同型号（如ADS84711和ADS8471IB）在INL、DNL、偏移误差、增益误差等方面有具体的参数指标，工程师需要根据实际应用需求选择合适的型号。
• 采样动态特性：转换时间为670 - 700 ns，采集时间为270 - 300 ns，这些时间参数对于系统的整体性能和响应速度有重要影响。

4.3 参考电压

ADS8471可以使用外部参考电压，范围为3.0 V至4.2 V。在使用外部参考时，需要确保参考电压的稳定性和低噪声，可使用低噪声带隙参考如REF5040，并在REFIN和REFM引脚之间添加0.1 - µF的去耦电容。同时，内部也集成了4.096 - V的参考，使用内部参考时需要在REFOUT和REFM引脚之间添加1 - µF的存储电容。

4.4 数字接口

• 时序和控制：转换由CONVST引脚的下降沿触发，同时$overline{CS}$引脚为低电平。BUSY输出在转换过程中保持高电平，转换结束后返回低电平。在设计时序电路时，需要严格按照器件的时序要求进行设计，以确保转换的准确性。
• 数据读取：ADS8471以直二进制格式输出全并行数据。可以通过8位或16位总线读取数据，使用BYTE引脚进行多字读取操作。在读取数据时，需要注意CONVST下降沿周围的安静区要求，避免在该区域进行数据读取。

4.5 复位操作

上电时，内部上电复位电路会对器件进行复位。前三次转换结果无效，应予以丢弃。此外，还可以通过CS和CONVST的组合进行复位操作，复位后所有输出锁存器清零，BUSY信号变为低电平，开始新的采样周期。

五、布局与布线建议

为了确保ADS8471的性能，合理的布局和布线至关重要。

• 参考电压：如果使用外部参考电压，要确保参考源能够驱动旁路电容而不产生振荡。在REFIN和REFM引脚之间直接连接0.1 - µF的电容，并将REFM和AGND在同一接地平面上短接。
• 接地：AGND和BDGND引脚应连接到干净的接地端，最好是模拟地。避免与微控制器或数字信号处理器的接地端过于接近，必要时可直接从转换器引出接地走线到电源入口点。
• 电源：+VA应连接到独立的5 - V电源平面或走线，直到电源入口点再与数字逻辑的电源连接。在器件附近放置0.1 - µF的陶瓷旁路电容，并根据需要添加1 - µF至10 - µF的电容或其他滤波元件，以去除高频噪声。

六、应用案例：ADS8471与高性能DSP接口

以ADS8471与德州仪器的高性能DSP（如TMS320C6713）的并行接口为例，ADS8471映射到TMS320C6713的CE2内存空间。通过3 - 8解码器生成读和复位信号，DSP的CE2信号作为转换器的CS信号。ADS8471的BUSY信号连接到DSP的EXT_INT6中断输入，使EDMA控制器能够在BUSY信号下降沿采集转换结果。这种接口设计充分发挥了ADS8471的高性能，实现了高效的数据采集和处理。

七、总结

ADS8471凭借其高精度、低功耗、灵活的接口和出色的动态性能，在多个领域展现出了强大的竞争力。作为电子工程师，在设计中合理选择和使用ADS8471，能够有效提高系统的性能和可靠性。在实际应用中，我们需要深入理解其技术细节，严格按照布局和布线建议进行设计，以充分发挥其优势。你在使用ADS8471或其他类似ADC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。