深入解析ADC088S052：8通道8位A/D转换器的技术奥秘

 

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，我们就来详细探讨一款性能出色的ADC——德州仪器（TI）的ADC088S052。这款8通道、200 ksps到500 ksps、8位的A/D转换器，在众多领域都有着广泛的应用。

文件下载：adc088s052.pdf

产品概述

ADC088S052是一款低功耗的CMOS 8位A/D转换器，具备8个输入通道，转换吞吐量速率范围为200 ksps到500 ksps。它采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，并内置跟踪保持电路，输出的串行数据为直二进制格式，兼容SPI™、QSPI™、MICROWIRE和许多常见的DSP串行接口。

特性亮点

• 多通道输入：拥有8个独立的模拟输入通道，可同时处理多个模拟信号，大大提高了系统的集成度和处理能力。
• 独立电源：支持独立的模拟和数字电源，为系统设计提供了更大的灵活性。模拟电源（$V{A}$）范围为 +2.7V到 +5.25V，数字电源（$V{D}$）范围为 +2.7V到$V_{A}$。
• 低功耗设计：正常工作时，使用 +3V电源功耗仅为1.2 mW，使用 +5V电源功耗为6.5 mW。在掉电模式下，功耗可降至极低水平，使用 +3V电源时为0.03 µW，使用 +5V电源时为0.15 µW。
• 接口兼容性强：与SPI™、QSPI™、MICROWIRE和DSP接口兼容，方便与各种微控制器和数字信号处理器连接。
• 宽温度范围：可在 -40°C到 +105°C的扩展工业温度范围内稳定工作，适用于各种恶劣环境。

应用领域

ADC088S052的应用非常广泛，涵盖了汽车导航、便携式系统、医疗仪器、移动通信以及仪器仪表和控制系统等多个领域。

关键规格参数

参数	详情
转换速率	200 ksps到500 ksps
DNL（$V{A}=V{D}=2.7 ~V$到5.0V）	最大0.2 LSB
INL（$V{A}=V{D}=2.7 ~V$到5.0V）	最大0.2 LSB
功耗（3V电源）	典型值1.2 mW
功耗（5V电源）	典型值6.5 mW

引脚说明

ADC088S052采用16引脚TSSOP封装，各引脚功能如下：

模拟输入输出

• IN0 - IN7（引脚4 - 11）：模拟输入引脚，输入信号范围为0V到$V_{REF}$。

  数字输入输出

• SCLK（引脚16）：数字时钟输入，时钟频率范围为3.2 MHz到8 MHz，直接控制转换和读出过程。
• DOUT（引脚15）：数字数据输出，在SCLK引脚的下降沿将输出样本时钟输出。
• DIN（引脚14）：数字数据输入，在SCLK引脚的上升沿将数据加载到ADC088S052的控制寄存器。
• CS（引脚1）：芯片选择，CS引脚的下降沿启动转换过程，只要CS保持低电平，转换就会继续进行。

  电源引脚

• VA（引脚2）：正模拟电源引脚，同时作为参考电压。该引脚应连接到稳定的 +2.7V到 +5.25V电源，并通过1 µF和0.1 µF的单片陶瓷电容旁路到GND，电容应靠近电源引脚（距离不超过1 cm）。
• VD（引脚13）：正数字电源引脚，应连接到 +2.7V到$V_{A}$的电源，并通过0.1 µF的单片陶瓷电容旁路到GND，电容同样应靠近电源引脚。
• AGND（引脚3）：模拟电源和信号的接地返回引脚。
• DGND（引脚12）：数字电源和信号的接地返回引脚。

工作原理

ADC088S052的工作过程分为跟踪和保持两个模式：

跟踪模式

在$\overline{CS}$引脚变为低电平后的前三个SCLK周期内，ADC处于跟踪模式。此时，开关SW1通过多路复用器将采样电容连接到八个模拟输入通道之一，开关SW2平衡比较器的输入，使采样电容能够跟踪输入信号的变化。

保持模式

接下来的十三个SCLK周期内，ADC进入保持模式。开关SW1将采样电容连接到地，保持采样电压不变，开关SW2使比较器失衡。控制逻辑则指示电荷重分配DAC向采样电容添加或减去固定量的电荷，直到比较器达到平衡。此时，提供给DAC的数字字即为模拟输入电压的数字表示。

电气特性

静态特性

• 分辨率：无丢失码的分辨率为8位。
• 积分非线性（INL）：采用端点法测量，典型值为 +0.05 LSB，最大值为 ±0.2 LSB。
• 差分非线性（DNL）：典型值为 ±0.06 LSB，最大值为 ±0.2 LSB。
• 偏移误差（VoFF）：典型值为 +0.6 LSB，最大值为 ±0.7 LSB。

  动态特性

• 全功率带宽（FPBW）： -3dB带宽为8 MHz。
• 信噪失真比（SINAD）：在$f_{IN} = 40.2 kHz$， -0.02 dBFS条件下，典型值为49.6 dB，最小值为49.2 dB。
• 信噪比（SNR）：在相同条件下，典型值为49.6 dB，最小值为49.3 dB。
• 总谐波失真（THD）：典型值为 -70.6 dB，最大值为 -63.1 dB。

应用电路设计

典型应用电路

在典型应用中，ADC088S052的模拟和数字电源引脚可由TI的LP2950低压差电压调节器供电。模拟电源通过靠近ADC的电容网络进行旁路，数字电源则通过隔离电阻与模拟电源分离，并添加额外的电容进行旁路。为了确保参考电压的稳定性，应尽量保持$V_{A}$的干净。此外，由于ADC088S052的功率要求较低，也可以使用精密参考源作为电源。

电源管理

• 电源顺序：由于ADC088S052是双电源设备，且两个电源引脚共享ESD资源，因此必须确保电源按正确顺序施加。为避免ESD二极管导通，数字电源$V{D}$不能超过模拟电源$V{A}$ 300 mV，即使是瞬态情况也不允许。所以，$V{A}$必须在$V{D}$之前或同时上升。
• 功耗模式：当$\overline{CS}$为低电平时，ADC088S052完全上电；当$\overline{CS}$为高电平时，ADC完全掉电。在连续转换模式下，ADC会在一次转换的第16个SCLK下降沿和下一次转换的第1个SCLK下降沿之间自动进入掉电模式。通过采用突发模式，用户可以在单位时间内减少转换次数，从而在降低吞吐量的同时降低功耗。

  电源噪声考虑

  数字电源$V_{D}$在为输出负载电容充电时会产生电流脉冲，导致数字电源电压波动。如果这些波动过大，可能会降低ADC的SNR和SINAD性能。为了避免数字噪声进入模拟电源，应将模拟和数字电源相互解耦，或使用单独的电源。同时，应尽量减小输出负载电容的大小，如果负载电容大于50 pF，可在ADC输出端靠近引脚处添加一个100 Ω的串联电阻，以限制输出电容的充放电电流，保持噪声性能。

  布局和接地

  为了避免数字电路和模拟电路之间的电容耦合导致性能下降，应将模拟电路和数字电路分开布局，并尽量缩短时钟线的长度。数字电路产生的电源和地电流瞬变可能会影响系统的噪声性能，因此不要将ADC088S052与数字逻辑使用同一电源。此外，模拟和数字线路应尽量避免交叉，时钟线应作为传输线进行处理并正确端接。模拟输入应与噪声信号走线隔离，外部组件应连接到干净的接地平面。

总结

ADC088S052以其多通道输入、低功耗、宽温度范围和良好的电气性能，成为了众多应用领域的理想选择。在设计过程中，我们需要充分考虑其电源管理、噪声抑制和布局接地等方面的问题，以确保系统的稳定性和性能。希望通过本文的介绍，能帮助各位工程师更好地了解和应用这款优秀的A/D转换器。你在使用类似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。