深入解析ADS8504：12位250-KSPS采样CMOS模数转换器

 

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们要详细探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的ADS8504，一款性能卓越的12位250-KSPS采样CMOS模数转换器。

文件下载：ads8504.pdf

一、产品概述

ADS8504采用了先进的CMOS结构，集完整的12位、基于电容的逐次逼近寄存器（SAR）ADC、采样保持（S/H）电路、参考源、时钟、微处理器接口以及三态输出驱动器于一体。它在全温度范围内的采样速率可达250-kHz，标准输入范围为±10-V，以其高精度和低功耗的特点，在工业过程控制、数据采集系统、数字信号处理以及医疗设备仪器等领域得到了广泛应用。

二、关键特性亮点

（一）高精度性能

• 线性误差小：最大积分非线性（INL）和最大微分非线性（DNL）均为±0.45 LSB，确保了转换结果的高精度。
• 无失码设计：12位无失码特性，保证了数据转换的完整性和准确性。
• 低误差漂移：双极性零误差为±1 LSB，双极性零误差漂移仅为±0.4 PPM/°C，在不同温度环境下仍能保持稳定的性能。

（二）高采样速率

具备250-kHz的采样速率，能够快速准确地采集模拟信号，满足高速数据采集的需求。

（三）宽输入范围

标准的±10-V输入范围，可适应多种不同幅度的模拟信号输入。

（四）低功耗设计

单5-V电源供电，在250 KSPS采样速率下典型功耗仅为70-mW，有效降低了系统的功耗。

（五）灵活的参考源选择

可使用内部或外部参考源，为不同的应用场景提供了更多的灵活性。

（六）并行数据输出

全并行数据输出方式，方便与微处理器等数字设备进行接口连接，提高数据传输效率。

（七）封装形式

采用28引脚的小外形集成电路（SOIC）封装，便于在电路板上进行布局和焊接。

三、电气特性详解

（一）模拟输入特性

• 输入范围：标准的±10-V输入范围，能够满足大多数工业和医疗应用的需求。
• 输入阻抗：输入阻抗为11.5 kΩ，可有效减少信号源的负载效应。
• 输入电容：输入电容为50 pF，对输入信号的影响较小。

（二）吞吐量速度

• 转换周期：采集和转换周期为4 μs，确保了快速的数据转换。
• 吞吐量速率：吞吐量速率可达250 kHz，能够满足高速数据采集的要求。

（三）直流精度

• INL和DNL：最大INL和DNL均为±0.45 LSB，保证了转换结果的线性度。
• 无失码：12位无失码设计，确保了数据的准确性。
• 过渡噪声：过渡噪声典型值为0.1 LSB，进一步提高了转换的精度。

（四）交流精度

• 无杂散动态范围（SFDR）：在45-kHz输入时，SFDR可达86 dB（典型值为94 dB），有效抑制了杂散信号的干扰。
• 总谐波失真（THD）：在45-kHz输入时，THD为-95 dB，保证了信号的纯净度。
• 信噪失真比（SINAD）：在45-kHz输入时，SINAD为73 dB，提供了良好的信号质量。
• 全功率带宽：全功率带宽为500 kHz，可处理较宽频率范围的信号。

（五）采样动态特性

• 孔径延迟：孔径延迟为5 ns，减少了采样时刻的误差。
• 瞬态响应：满量程阶跃响应时间为2 μs，能够快速响应输入信号的变化。
• 过压恢复：过压恢复时间为150 ns，在输入信号过压后能够迅速恢复正常工作。

（六）参考源特性

• 内部参考电压：内部参考电压为2.5 V，典型漂移为8 ppm/°C。
• 外部参考电压范围：外部参考电压范围为2.3 V至2.7 V，可根据实际需求进行调整。

（七）数字输入输出特性

• 逻辑电平：数字输入低电平（VIL）为-0.3 V至0.8 V，高电平（VIH）为2.0 V至VDIG +0.3 V，确保了与不同数字设备的兼容性。
• 数据格式：数据以二进制补码形式输出，采用全并行12位格式。
• 输出电压：低电平输出电压（VOL）最大为0.4 V，高电平输出电压（VOH）最小为4 V。

四、基本操作与使用方法

（一）启动转换

通过将CS（片选）和R/C（读/转换）引脚拉低至少40 ns，可立即将ADS8504的采样保持电路置于保持状态并启动转换。转换过程中，BUSY引脚会拉低，直到转换完成且内部输出寄存器更新后才会拉高。在BUSY为低电平时，任何新的转换命令都会中止当前正在进行的转换并重置ADC。

（二）读取数据

ADS8504以二进制补码形式输出全并行或字节并行数据。当R/C引脚为高电平且CS引脚为低电平时，并行输出有效。可通过BYTE引脚选择读取高8位或低8位数据。转换完成后，BUSY引脚拉高，此时可在D11 - D0引脚读取有效数据。在转换过程中，也可读取上一次转换的有效数据，但需注意在转换开始后的2.2 μs（典型值）内不要读取数据，以免读取到无效数据。

五、输入范围与保护

ADS8504提供标准的±10-V输入范围。其输入阻抗为11.5 kΩ，由内部电阻网络和外部电阻共同构成。输入电阻分压器网络提供了至少±25 V的过压保护，有效保护了芯片免受过高电压的损害。同时，输入信号应参考AGND1，以减少模拟设计中常见的地环路问题，且模拟输入应由低阻抗源驱动。

六、校准方法

（一）硬件校准

通过安装如图24(a)所示的适当电阻和电位器，可对ADS8504的失调和增益进行校准。校准过程中，应先调整失调，再调整增益，因为失调会直接影响增益的校准结果。为达到最佳性能，可能需要进行多次迭代调整。

（二）软件校准

在软件校准方式下，无需外部电阻。通过软件算法对失调和增益误差进行补偿，可实现对ADS8504的校准。具体可参考无校准部分中关于外部电阻影响的详细说明以及表4中有无外部电阻时失调和增益误差的范围。

（三）无校准情况

在某些应用中，图24(b)所示的外部电阻可能并非必需。这些电阻用于补偿内部失调和增益的调整，以实现单电源校准。表4给出了有无外部电阻时典型的失调（双极性零误差，BPZ）和增益误差范围。

七、参考源使用

ADS8504可使用内部2.5-V参考源或外部参考源。通过将外部参考源施加到REF引脚，可绕过内部参考源。REF引脚是外部参考源的输入或内部2.5-V参考源的输出，应尽可能靠近该引脚连接一个2.2-µF的电容，以减少参考源上的噪声。CAP引脚是内部参考缓冲器的输出，同样需靠近该引脚放置一个2.2-µF的电容，以提供转换周期内CDAC所需的最佳开关电流，并补偿内部缓冲器的输出。

八、布局注意事项

（一）电源布局

为获得最佳性能，应将模拟和数字电源引脚连接到同一个+5-V电源，并将模拟和数字地连接在一起。由于ADS8504约90%的功率用于模拟电路，因此应将其视为模拟组件。A/D的+5-V电源应与系统数字逻辑的+5 V电源分开，以避免数字逻辑的开关噪声影响转换器的性能。若必须使用数字电源为转换器供电，需对电源进行适当滤波。

（二）接地布局

ADS8504有三个接地引脚：DGND为数字电源地，AGND2为模拟电源地，AGND1为A/D内部所有模拟信号的参考地。AGND1对电流引起的电压降更为敏感，因此其返回电源的路径应具有最小电阻。为实现最佳性能，A/D的所有接地引脚应连接到模拟地平面，并与系统的数字逻辑地分开。模拟和数字地平面应尽可能靠近电源连接到系统地，以防止动态数字地电流通过公共阻抗调制模拟地。

（三）信号调理布局

ADS8504的采样保持电路采用的FET开关释放的电荷注入量仅为其他CMOS A/D转换器的5% - 10%，且有电阻前端可衰减释放的电荷，因此对前端抗混叠滤波器的要求较低。任何适用于应用信号的运算放大器都足以驱动ADS8504。此外，电阻前端还提供了±25 V的过压保护，在大多数情况下可无需外部输入保护电路。

（四）中间锁存器布局

虽然ADS8504的并行端口具有三态输出，但在转换过程中若总线需要保持活跃，建议使用中间锁存器。即使A/D处于三态，并行端口上快速开关信号产生的瞬态也可能通过衬底耦合到模拟电路，导致转换器性能下降。中间锁存器对于任何单片A/D转换器都有益处。

九、总结

ADS8504作为一款高性能的12位250-KSPS采样CMOS模数转换器，凭借其高精度、高采样速率、低功耗、宽输入范围以及灵活的参考源选择等优点，在众多领域展现出了卓越的性能。在实际应用中，通过合理的校准方法、正确的参考源使用以及精心的布局设计，能够充分发挥其优势，为电子工程师提供可靠的模拟信号数字化解决方案。

作为电子工程师，我们在设计过程中应充分考虑ADS8504的各项特性和要求，结合具体应用场景进行优化设计。大家在使用ADS8504的过程中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享交流。