深入剖析ADS8382：18位、600-kHz全差分伪双极性输入ADC

 

在当今的电子设计领域，高精度、高速的模拟 - 数字转换器（ADC）是许多应用的核心组件。德州仪器（Texas Instruments）的ADS8382就是这样一款出色的ADC，它具有18位分辨率、600-kHz采样率，适用于医疗仪器、光网络、高精度数据采集系统等多种应用场景。本文将对ADS8382进行详细的技术剖析，帮助电子工程师更好地了解和使用这款芯片。

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一、ADS8382概述

ADS8382是一款高性能的18位、600-kHz A/D转换器，具有全差分、伪双极性输入。它采用电容式逐次逼近寄存器（SAR）架构，自带采样和保持功能。芯片集成了高速CMOS串行接口，时钟速度最高可达40 MHz，还配备了片上参考缓冲器和4.096-V参考电压源。此外，它支持伪双极性输入，输入范围可达±4.2 V，并且自带转换时钟，具有零延迟的特点。

（一）特性亮点

1. 高精度：典型积分非线性（INL）为±1.25 LSB，最大为±3 LSB；无失码分辨率达到18位，确保了在宽温度范围内的高精度转换。
2. 高动态性能：在输入频率$f_{i}=1 kHz$时，信纳比（SINAD）达到96 dB，无杂散动态范围（SFDR）达到120 dB，能够有效抑制噪声和杂散信号。
3. 高速接口：支持高达40 MHz的高速串行接口，方便与微控制器或其他数字设备进行通信。
4. 低功耗：在600 kHz采样率下功耗仅为115 mW，在休眠模式下为15 mW，在掉电模式下仅为10 µW，适合低功耗应用。
5. 宽输入范围：伪双极性输入范围可达±4.2 V，满足多种信号采集需求。

（二）应用领域

ADS8382的高性能特性使其在多个领域得到广泛应用，包括医疗仪器（如心电图机、超声设备等）、光网络（如光纤通信中的信号采集）、高精度数据采集系统、磁力计等。

二、技术规格详解

（一）绝对最大额定值

在使用ADS8382时，需要注意其绝对最大额定值，以确保芯片的安全和稳定运行。例如，输入电压范围为 - 0.3 V至 + VA + 0.3 V，工作温度范围为 - 40°C至85°C，存储温度范围为 - 65°C至150°C。超出这些范围可能会导致芯片损坏或性能下降。

（二）电气特性

1. 模拟输入特性
   • 满量程输入电压：输入电压范围为 - Vref至Vref，绝对输入电压范围为 - 0.2 V至Vref + 0.2 V。
   • 输入共模范围：为(Vref/2) - 0.2 V至(Vref/2) + 0.2 V，确保了在不同共模电压下的稳定性能。
   • 采样电容：测量值为40 pF，输入泄漏电流典型值为1 nA。
2. 系统性能特性
   • 分辨率：无失码分辨率为18位，确保了高精度的转换结果。
   • INL和DNL：积分线性度（INL）和差分线性度（DNL）是衡量ADC线性度的重要指标。在观察到安静区时，INL典型值为±1.25 LSB，最大为±3 LSB；DNL典型值为±0.6 LSB，最大为±1.5 LSB。
   • 偏移误差和增益误差：偏移误差（Eo）典型值为±0.25 mV，增益误差（EG）典型值为±0.075% FS。
   • 共模抑制比（CMRR）：在直流时达到80 dB，有效抑制了共模干扰。
3. 动态特性
   • 转换时间和吞吐量：转换时间典型值为1.16 µs，吞吐量可达600 kHz，满足高速数据采集的需求。
   • SINAD和SFDR：在不同输入频率下，SINAD和SFDR表现出色，确保了高动态性能。

（三）数字输入/输出特性

ADS8382的数字接口采用CMOS逻辑，支持高速串行通信。高电平输入电压（VIH）为 + VBD - 1 V至 + VBD + 0.3 V，低电平输入电压（VIL）为 - 0.3 V至0.8 V。数据以2的补码形式输出，方便与数字系统进行接口。

（四）电源要求

芯片的模拟电源电压（+VA）范围为4.75 V至5.25 V，数字电源电压（+VBD）范围为2.7 V至5.25 V。在600 kHz采样率下，模拟电源电流典型值为22 mA，数字电源电流典型值为1 mA（+VBD = 5 V，负载电容为10 pF时）。

三、工作原理

（一）SAR架构

ADS8382采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，基于电荷再分配原理工作。在采样阶段，输入信号被采样到内部电容阵列上；在转换阶段，通过逐次比较的方式将模拟信号转换为数字信号。这种架构具有转换速度快、功耗低的优点。

（二）参考电压

芯片内置了4.096-V的参考电压源，但也支持外部参考电压输入。当使用内部参考时，需要在REFIN和REFM引脚之间连接0.1-µF旁路电容和1-µF存储电容，以确保参考电压的稳定性。

（三）模拟输入

模拟输入通过 + IN和 - IN引脚接入，输入范围为 - 0.2 V至Vref + 0.2 V。在采样时间内，输入信号需要能够为内部40 pF的采样电容充电至18位的稳定水平。在保持模式下，输入电阻大于1 GΩ。

（四）数字接口

ADS8382的数字接口支持SPI协议，方便与微控制器或其他数字设备进行通信。在读取数据时，需要注意避免在指定的安静区进行操作，以防止性能下降。

四、时序要求和控制

（一）转换和采样控制

转换和采样通过CONVST和CS引脚进行控制。当CONVST_QUAL引脚出现下降沿时，芯片从采样阶段进入转换阶段；当CONVST为高电平且CS为低电平时，芯片开始采样。

（二）数据读取操作

数据读取可以在转换或采样期间进行，但需要注意避免在BUSY信号下降沿附近开始读取操作，以防止数据丢失。在SPI接口模式下，数据通过SCLK时钟信号进行移位输出。

（三）安静区要求

为了避免性能下降，需要在转换和采样过程中观察三个安静区（$t{quiet1}$、$t{quiet2}$和$t_{quiet3}$），在这些区域内，接口控制信号应保持稳定。

五、电源管理

（一）全功率下降模式

当PD引脚为高电平时，芯片进入全功率下降模式，功耗降至2 µA。在恢复正常工作时，需要注意前两次转换结果可能不准确，因为芯片需要加载校准值。

（二）休眠模式

如果在转换结束时CONVST_QUAL为低电平，芯片将自动进入休眠模式，功耗为3 mA。在休眠模式下，芯片可以通过采样开始命令恢复正常工作。

六、布局考虑

（一）模拟和数字信号隔离

由于ADS8382常与数字逻辑电路一起使用，因此需要注意模拟信号和数字信号的隔离，以减少数字噪声对模拟信号的干扰。

（二）电源和参考电压稳定性

电源和参考电压的稳定性对ADC的性能至关重要。需要使用适当的旁路电容和储能电容，确保电源和参考电压的稳定。

（三）接地设计

AGND和BDGND引脚应连接到干净的接地平面，以减少接地噪声的影响。

七、应用示例

（一）SPI模式下的600-KSPS吞吐量

通过合理设计SPI接口的时序，可以实现600-KSPS的吞吐量。具体的时序图可以参考文档中的示例。

（二）使用FS信号的串行接口

也可以使用帧同步信号FS来实现600-KSPS的吞吐量，这种方式可以根据具体应用需求进行选择。

八、总结

ADS8382是一款高性能、低功耗的18位、600-kHz全差分伪双极性输入ADC，具有高精度、高动态性能、高速接口等优点。在使用时，需要注意其技术规格、时序要求、电源管理和布局设计等方面，以确保芯片的最佳性能。希望本文对电子工程师在设计中使用ADS8382有所帮助。你在实际应用中是否遇到过类似ADC的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。