ADC128S052：高性能12位A/D转换器的深度解析

 

在电子工程师的日常设计中，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接现实世界模拟信号与数字系统的关键桥梁。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的两款明星产品：ADC128S052与ADC128S052 - Q1。这两款8通道、转换速率在200 kSPS至500 kSPS之间的12位A/D转换器，具有诸多出色特性，适用于多种应用场景。

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产品特性与优势

特性概述

ADC128S052与ADC128S052 - Q1采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，并内置跟踪保持电路，可配置为接受多达8个输入信号。其输出串行数据为直接二进制格式，与SPI、QSPI、MICROWIRE和许多常见的DSP串行接口兼容。两者均采用16引脚TSSOP封装，其中ADC128S052适用于扩展工业温度范围（ - 40°C至 + 105°C），而ADC128S052 - Q1则满足AEC - Q100 Grade - 1汽车温度范围（ - 40°C至 + 125°C）的要求。

性能优势

• 电源管理灵活：可独立使用模拟和数字电源，模拟电源（$V{A}$）范围为2.7 V至5.25 V，数字电源（$V{D}$）范围为2.7 V至$V_{A}$。正常功耗在3 V和5 V电源下分别为1.6 mW和8.7 mW，掉电模式下功耗可低至0.06 μW（3 V电源）和0.25 μW（5 V电源）。
• 高精度转换：在$V{A}=V{D}=5 V$时，DNL最大为 + 1.3或 - 0.9 LSB，INL最大为 ± 1 LSB，确保了高精度的模拟 - 数字转换。
• 多通道输入：提供8个输入通道，可满足多信号采集的需求。

应用领域

这两款转换器的应用范围广泛，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领域。在汽车导航中，它们能够准确采集各种传感器信号，为导航系统提供精确的数据支持；在医疗仪器中，高精度的转换性能有助于获取更准确的生理信号。

规格参数详解

绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保其安全可靠运行至关重要。例如，模拟电源电压$V{A}$的范围为 - 0.3 V至6.5 V，数字电源电压$V{D}$范围为 - 0.3 V至$V_{A}+0.3$（最大6.5 V）。超出这些额定值可能会导致器件永久性损坏。

ESD评级

在商业和汽车应用中，这两款器件的ESD评级有所不同。商业应用中，人体模型（HBM）为 + 2500 V，机器模型（MM）为 + 250 V；汽车应用中，人体模型（HBM）为 + 2500 V，充电器件模型（CDM）为 + 250 V。适当的ESD保护措施可以有效提高器件的可靠性。

推荐工作条件

推荐工作条件规定了器件正常工作的参数范围。例如，ADC128S052的工作温度范围为 - 40°C至 + 105°C，ADC128S052 - Q1为 - 40°C至 + 125°C；$V{A}$电源电压范围为2.7 V至5.25 V，$V{D}$电源电压范围为2.7 V至$V_{A}$。在设计电路时，应确保器件在这些条件下运行。

电气特性

电气特性是评估器件性能的关键指标。包括静态转换特性（如分辨率、INL、DNL等）、动态转换特性（如全功率带宽、SINAD、SNR等）、数字输入输出特性以及电源特性等。例如，在$V{A}=V{D}=3 V$和$V{A}=V{D}=5 V$时，器件的各项性能指标有所不同，工程师需要根据具体应用需求进行选择。

时序规格

时序规格规定了器件在工作过程中的时间参数，如CS保持时间、CS建立时间、DOUT访问时间等。正确理解和遵循这些时序要求，能够确保数据的准确传输和转换。

详细工作原理

功能框图

ADC128S052的功能框图展示了其内部结构和信号处理流程。主要包括输入多路复用器、跟踪保持电路、逐次逼近寄存器（SAR）和数字输出接口等部分。输入信号通过多路复用器选择后，由跟踪保持电路进行采样和保持，然后由SAR进行转换，最终将数字信号通过输出接口输出。

工作模式

• 连续转换模式：在该模式下，只要CS为低电平，器件就会连续进行转换，每个转换周期需要16个SCLK周期。这种模式适用于需要高采样率的应用场景。
• 突发模式：用户可以通过减少单位时间内的转换次数来降低功耗，即在掉电模式下花费更多时间，在正常模式下花费更少时间。通过合理安排时间，可以在满足低采样率需求的同时，确保SCLK频率在电气规格范围内。

编程与寄存器映射

器件的编程主要通过串行接口实现。CS用于启动转换和帧定界，SCLK控制转换过程和串行数据的时序。DOUT为串行数据输出引脚，DIN为串行数据输入引脚。控制寄存器用于选择输入通道，通过对寄存器位的设置，可以指定下一次转换的输入通道。

应用与实现

模拟输入设计

模拟输入的设计对于确保器件的性能至关重要。ADC128S052的模拟输入等效电路包括ESD保护二极管、电容和电阻等元件。模拟输入的工作范围为0 V至$V_{A}$，超出此范围可能会导致ESD二极管导通，影响器件正常工作。为了获得最佳性能，建议使用低阻抗源（小于100 Ω）驱动器件，并在输入端添加抗混叠滤波器，以减少谐波和噪声。

数字输入输出设计

数字输入（SCLK、$\overline{CS}$和DIN）的工作范围为0 V至$V{A}$，具有较好的抗闩锁能力。数字输出（DOUT）的工作范围由$V{D}$控制，输出高电压为$V_{D}-0.5 V$，输出低电压为0.4 V。在设计数字接口时，需要注意信号的时序和电平匹配。

典型应用电路设计

以一个正电源数据采集系统为例，要求能够数字化0至5 V的信号，带宽为10 kHz，吞吐量为125 kSPS，并与3.3 V电源的微控制器接口。在设计过程中，需要考虑以下几个方面：

• 电源选择：根据信号范围要求，选择5 V作为$V{A}$电源；为了与微控制器接口，选择3.3 V作为$V{D}$电源。
• 采样率计算：根据公式计算采样率，确保满足Nyquist准则，避免信号混叠。
• 抗混叠滤波器设计：在所有输入端口添加抗混叠滤波器，如单极点低通滤波器，以满足信号带宽要求。
• 电源隔离：将$V{A}$和$V{D}$电源分离，减少数字电源噪声对模拟电源的影响，提高器件性能。

电源与布局建议

电源供应

• 电源顺序：由于ADC128S052是双电源器件，为了避免ESD二极管导通，$V{A}$必须在$V{D}$之前或同时上电，且$V{D}$不能超过$V{A}$ 300 mV。
• 电源噪声考虑：数字电源的充电和放电过程会产生电压变化，可能会影响器件的SNR和SINAD性能。为了减少数字电源噪声对模拟电源的影响，建议将模拟和数字电源隔离，并尽量减小输出负载电容。如果负载电容大于50 pF，可以在ADC输出端添加100 Ω的串联电阻。

布局设计

• 电路分离：将模拟电路和数字电路分开布局，避免电容耦合和串扰。时钟线应尽量短，并与其他线路隔离，同时进行适当的终端匹配。
• 线路交叉：模拟和数字线路应尽量避免交叉，如无法避免，应确保它们以90°交叉。
• 接地与电源平面：建议使用单一均匀的接地平面和分割的电源平面，将模拟电路和数字电路分别放置在不同的电源平面上。

技术支持与资源

德州仪器为ADC128S052和ADC128S052 - Q1提供了丰富的技术支持和资源，包括器件支持文档、相关链接、社区资源等。工程师可以通过这些资源获取更多的技术信息和帮助，解决在设计过程中遇到的问题。

在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求，综合考虑器件的特性、规格参数、工作原理等因素，合理设计电路和布局，确保器件的性能和可靠性。希望通过本文的介绍，能够帮助工程师更好地了解和应用ADC128S052和ADC128S052 - Q1这两款优秀的A/D转换器。大家在使用过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的设计经验，欢迎在评论区分享交流！