ADS8481：18位、1-MSPS采样模数转换器的深度解析

 

在电子设计领域，高精度、高速的模数转换器（ADC）一直是实现高性能数据采集系统的关键组件。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的ADS8481，一款18位、1-MSPS的采样模数转换器，看看它在设计和应用中能为我们带来哪些优势和挑战。

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一、产品概述

ADS8481是一款具有内部4.096-V参考和伪差分单端单极性输入的18位、1-MSPS A/D转换器。它采用了基于电容的18位逐次逼近寄存器（SAR）A/D转换器，自带采样和保持功能。该器件提供了全18位接口、16位选项（通过两次读取周期读取数据）和8位总线选项（通过三次读取周期读取数据），适用于多种应用场景。

1.1 产品特性

• 高采样率：0到1 MSPS的采样率，能够满足高速数据采集的需求。
• 高精度：18位分辨率，确保在整个温度范围内无丢失码，低偏移误差（±0.1 mV）和低温度漂移（0.2 ppm/°C偏移误差温度漂移、0.6 ppm/°C增益误差温度漂移）。
• 低功耗：在1 MSPS时功耗仅为220 mW，适合低功耗应用。
• 零延迟：保证数据的实时性。
• 宽数字电源范围：2.7 V ~ 5.25 V，增强了系统的灵活性。

1.2 应用领域

ADS8481的特性使其广泛应用于医疗仪器、光网络、传感器接口、高精度数据采集系统和磁力计等领域。

二、技术规格

2.1 绝对最大额定值

在使用ADS8481时，需要注意其绝对最大额定值，以确保器件的安全运行。例如，输入电压、电源电压等都有一定的范围限制，超出这些范围可能会导致器件损坏。

参数	条件	最小值	最大值	单位
输入电压（+IN到AGND）		-0.4	+VA + 0.1	V
输入电压（-IN到AGND）		-0.4	0.5	V
电源电压（+VA到AGND）		-0.3	7	V
工作温度范围		-40	85	°C

2.2 电气特性

ADS8481的电气特性包括输入电容、输入泄漏电流、分辨率、线性度、噪声等参数。这些参数直接影响着转换器的性能，在设计时需要根据具体应用进行合理选择。

参数	型号	测试条件	最小值	典型值	最大值	单位
分辨率			18			位
积分线性度	ADS84811			-5 - 1.5/+1.9	5	LSB (18位)
差分线性度	ADS84811			-1 - 0.5/+0.7	2.5	LSB
偏移误差	ADS84811		-0.5	±0.1	0.5	mV
增益误差	ADS84811	Vref = 4.096V	-0.075	+0.05	0.075	%FS
噪声				30		μV RMS

三、工作原理

3.1 转换过程

ADS8481的转换时钟由内部生成，转换时间为710 ns，能够实现1 MHz的吞吐量。转换通过将CONVST引脚拉低（CS为低时）来启动，转换器在CONVST信号的下降沿从采样模式切换到保持模式。在转换过程中，BUSY输出信号保持高电平，转换结束后返回低电平。

3.2 参考电压

ADS8481可以使用外部参考电压，范围为3.0 V到4.2 V。参考电压在输入引脚（REFIN）上进行内部缓冲，为了确保转换器的良好性能，需要在该引脚上提供干净、低噪声、良好去耦的参考电压。同时，也可以使用内部4.096-V参考，此时需要在REFOUT和REFIN之间连接一个0.1-µF去耦电容，并在REFOUT和REFM之间连接一个1-nF存储电容。

3.3 模拟输入

模拟输入通过+IN和–IN两个引脚提供。在转换启动时，这两个引脚的差分输入被采样到内部电容阵列上。-IN输入电压限制在–0.2 V到0.2 V之间，+IN输入范围为–0.2 V到Vref + 0.2 V，输入跨度[+IN - (-IN)]限制在0 V到Vref之间。为了保证转换器的线性度和性能，需要注意输入电压的范围和输入源的输出阻抗匹配。

四、数据读取

ADS8481以直二进制格式输出全并行数据。输出数据可以通过18位、16位或8位总线进行读取。

4.1 18位读取

当BUS18/16和BYTE都为低电平时，输出数据是DB17 - DB0引脚（MSB - LSB）上的完整18位字（D17 - D0）。

4.2 16位读取

使用16位总线读取时，需要进行两次读取。第一次读取时，BUS18/16和BYTE都为低电平，读取DB17 - DB2引脚的16个最高有效位（D17 - D2）；第二次读取时，将BUS18/16置为高电平，同时BYTE保持低电平，此时较低的两位（D1 - D0）出现在DB3 - DB2引脚上。

4.3 8位读取

使用8位总线读取时，需要进行三次读取。第一次读取时，BUS18/16和BYTE都为低电平，读取DB17 - DB10引脚的8个最高有效位；第二次读取时，将BYTE置为高电平，同时BUS18/16保持低电平，中间位（D9 - D2）出现在DB17 - DB10引脚上；第三次读取时，将BUS18/16置为高电平，同时BYTE保持高电平，较低的两位（D1 - D0）出现在DB11 - DB10引脚上。如果只需要前16个最高有效位，则最后一次读取周期可以省略。

五、布局设计要点

在设计ADS8481的电路布局时，需要特别注意以下几点，以确保其性能的最优发挥。

5.1 电源和接地

• 电源：+VA应连接到一个独立的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。同时，需要在靠近器件的位置放置一个0.1-µF的陶瓷旁路电容，以提供干净、良好去耦的电源。此外，还建议使用一个1-µF到10-µF的电容。
• 接地：AGND和BDGND引脚应连接到一个干净的接地点，最好是模拟地。避免与微控制器或数字信号处理器的接地点过于接近，如果需要，可以直接从转换器引出一条接地走线到电源入口点。理想的布局是为转换器和相关模拟电路设置一个专用的模拟接地平面。

5.2 参考电压

如果使用外部参考电压，确保参考电压源能够驱动旁路电容而不产生振荡。建议在引脚13（REFIN）和引脚12（REFM）之间直接连接一个0.1-µF的电容，并将REFM和AGND在器件下方的同一接地平面上短接。

5.3 模拟输入

为了减少噪声和干扰，模拟输入信号应使用低带宽输入信号和低通滤波器。同时，要确保驱动+IN和–IN输入的源的输出阻抗匹配，以避免出现偏移误差、增益误差和线性度误差。

六、应用案例

6.1 与8位微控制器接口

ADS8481可以通过8位数据总线与典型的微控制器进行并行接口连接。BUSY信号可以作为下降沿中断信号提供给微控制器，以实现数据的实时读取和处理。

6.2 信号处理应用

在需要良好信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）性能的信号处理应用中，可以使用THS4031等低噪声、高速运算放大器来驱动ADS8481的模拟输入。同时，可以通过调整电路配置和使用合适的参考电压源来优化系统性能。

七、总结

ADS8481作为一款高性能的18位、1-MSPS采样模数转换器，具有高精度、低功耗、宽数字电源范围等优点，适用于多种应用场景。在设计和使用过程中，需要注意其工作原理、参考电压、模拟输入、数据读取和布局设计等方面的要点，以确保其性能的最优发挥。希望通过本文的介绍，能够帮助电子工程师更好地理解和应用ADS8481，为设计出更优秀的电子系统提供有力支持。

你在使用ADS8481的过程中遇到过哪些问题和挑战？欢迎在评论区分享你的经验和见解。