ADS8406：高性能16位A/D转换器深度解析

 

在电子设计领域，A/D转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键组件。今天要给大家详细介绍的是Texas Instruments（TI）推出的ADS8406，一款16位、1.25 MSPS的高性能A/D转换器，它在众多领域都有着广泛的应用。

文件下载：ads8406.pdf

一、产品概述

ADS8406是一款带有内部4.096 - V参考的16位、1.25 MHz A/D转换器。它采用了基于电容的16位逐次逼近寄存器（SAR）A/D转换器，具备固有的采样和保持功能。该器件提供全16位接口和8位选项，其中8位选项可通过两次8位读取周期来读取数据。ADS8406采用48引脚TQFP封装，工作温度范围为工业级的 - 40°C至85°C。

二、产品特性与优势

1. 输入特性

• 伪双极性、全差分输入：ADS8406支持 - VREF 到 $V_{REF}$ 的输入范围，这种输入方式能够有效抑制共模噪声，提高信号的抗干扰能力，适用于对信号质量要求较高的应用场景。
• 低输入电容和泄漏电流：输入电容仅为 25 pF，输入泄漏电流最大为 0.5 nA，这使得它对信号源的负载影响较小，能够更好地与各种信号源进行匹配。

2. 转换性能

• 高分辨率和速度：具备 16 位的分辨率，采样速率可达 1.25 MSPS，能够满足高速、高分辨率的数据采集需求。在 1.25 MSPS 的采样速率下，其积分非线性（INL）最大为 ±2 LSB，差分非线性（DNL）最大为 - 1/+1.25 LSB，保证了转换的准确性。
• 出色的动态性能：在 100 kHz 输入时，信噪比（SNR）可达 90 dB，总谐波失真（THD）低至 - 95 dB，能够有效还原输入信号的特征，减少信号失真。

3. 其他特性

• 内部参考：集成了 4.096 V 的内部参考，无需外部参考源，简化了电路设计。内部参考的启动时间最大为 120 ms，参考电压在 IOUT = 0 时，典型值为 4.096 V，具有较好的稳定性。
• 低功耗：在 1.25 MHz 工作频率下，功耗典型值为 155 mW，适合对功耗要求较高的应用场景。
• 宽 I/O 电源范围：I/O 电源范围为 2.7 V 至 5.25 V，能够与不同电压等级的数字电路进行接口，提高了系统的兼容性。

三、应用领域

ADS8406凭借其出色的性能，在多个领域都有广泛的应用：

• 密集波分复用（DWDM）：在DWDM系统中，需要对光信号进行高精度的监测和处理。ADS8406的高分辨率和低噪声特性能够准确地采集光信号的强度和波长等信息，为系统的稳定运行提供保障。
• 仪器仪表：在各种仪器仪表中，如示波器、频谱分析仪等，需要对模拟信号进行高速、高精度的转换。ADS8406的高速采样速率和高分辨率能够满足这些仪器对信号采集的要求，提高仪器的测量精度和性能。
• 高速、高分辨率、零延迟数据采集系统：对于需要实时采集和处理数据的系统，如雷达、通信等领域，ADS8406的零延迟特性能够确保数据的实时性，高分辨率能够保证数据的准确性。
• 传感器接口：在传感器接口电路中，需要将传感器输出的模拟信号转换为数字信号。ADS8406的伪双极性、全差分输入能够有效抑制传感器信号中的共模噪声，提高信号的质量。
• 医疗仪器通信：在医疗仪器中，如心电图仪、血糖仪等，需要对生物电信号进行高精度的采集和处理。ADS8406的低功耗和高分辨率特性能够满足医疗仪器对功耗和精度的要求，为医疗诊断提供准确的数据支持。

四、工作原理

1. 转换原理

ADS8406采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，基于电荷再分配原理工作，本身集成了采样/保持功能。当启动转换时，模拟输入信号在内部电容阵列上进行采样。转换时钟由内部振荡器产生，控制转换速率和吞吐量。在 650 ns 的转换时间内，能够实现 1.25 MHz 的吞吐量。

2. 参考电压

ADS8406既可以使用外部参考电压（范围为 2.5 V 至 4.2 V），也内置了 4.096 V 的内部参考。使用内部参考时，需在 REFOUT 引脚和 REFIN 引脚之间连接 0.1 - µF 的去耦电容，并在 REFOUT 引脚与 REFM 引脚之间连接 1 - µF 的存储电容。转换器的内部参考采用双缓冲设计，若使用外部参考，第二级缓冲可隔离外部参考与电容数模转换器（CDAC），并在转换期间为 CDAC 的所有电容充电。

3. 模拟输入

在进入保持模式时，+IN 和 - IN 输入之间的电压差会被内部电容阵列捕获。两个输入的电压范围为 - 0.2 V 至 $V{ref }+0.2 ~V$，输入跨度（+IN - (-IN)）限制在 - Vref 至 $V{ref }$。模拟输入电流受采样率、输入电压和源阻抗等因素影响。在采样期间，流入 ADS8406 的电流为内部电容阵列充电，电容充满后不再有输入电流。模拟输入电压源需在 150 ns 的采集时间内将 25 pF 的输入电容充电至 16 位的稳定电平。进入保持模式后，输入阻抗大于 1 GΩ。

4. 数字接口

时序与控制

ADS8406使用内部振荡器产生的时钟控制转换速率和吞吐量，无需外部时钟输入。当 CS 为低电平时，将 CONVST 引脚拉低至少 20 ns 可启动转换。CONVST 信号的下降沿使 ADS8406 从采样模式切换到保持模式，该信号的干净、低抖动下降沿对转换器性能至关重要。CONVST 变低后，BUSY 输出变高，转换过程中保持高电平，转换结束后变低。当 CS 保持低电平时，转换结束后立即开始采样；当 BUSY 为低电平时，CS 的下降沿启动采样。在转换期间和之前，RD 和 CS 可以都为高电平，但启动转换时 CS 必须为低电平。将 RD 和 CS 都拉低可使能并行输出总线输出转换结果。

数据读取

ADS8406以二进制补码格式输出全并行数据。当 CS 和 RD 都为低电平时，并行输出有效。在 CONVST 下降沿前后有一个最小安静区，下降沿前 50 ns 和下降沿后 40 ns 内不应尝试读取数据。其他 CS 和 RD 的组合会使并行输出处于三态。BYTE 引脚用于多字读取操作，当 BYTE 为高电平时，转换器结果的低字节会出现在总线的高字节上。若 BYTE 为低电平，输出数据是 DB15 - DB0 引脚上的完整 16 位字（D15 - D0）；也可通过 8 位总线读取结果，分两次读取，第一次 BYTE 为低电平，读取 DB15 - DB8 上的 8 个最高有效位，第二次 BYTE 为高电平，DB15 - DB8 上出现低字节（D7 - D0）。多字读取操作可以通过多次切换 RD 或将 RD 固定为低电平来实现。

五、设计注意事项

1. 复位操作

RESET 是异步低电平有效输入信号，独立于 CS 工作。RESET 低电平的最小时间为 25 ns，进入复位模式后，当前转换将在不超过 50 ns 内中止，复位后所有输出锁存器清零。RESET 输入变高后，转换器在不超过 20 ns 内恢复正常工作模式。复位后 20 ns 开始第一个采样周期，除复位后的第一个采样周期外，其他采样周期由前一个 BUSY 信号的下降沿或 CS 的下降沿触发，取较晚的时刻。也可以通过 CS 和 CONVST 的组合来复位设备，在转换过程中，当 CS 为低电平时发出 CONVST 信号，或在转换过程中发出 CS 信号，其下降沿需满足时序参数 $t_{su(AB)}$ 的要求，以确保复位。

2. 上电初始化

上电后无需手动复位，内部上电复位电路会自动产生复位信号。为确保所有寄存器清零，上电后需给转换器三个转换周期。

3. 布局设计

为实现最佳性能，需精心设计 ADS8406 电路的物理布局。由于该转换器为单电源工作，常与数字逻辑、微控制器、微处理器和数字信号处理器紧密相邻。设计中数字逻辑越多、开关速度越高，越难实现良好的转换性能。基本的 SAR 架构对电源、参考、接地连接和数字输入上的毛刺或突然变化敏感，这些变化可能影响模拟比较器输出的锁存。因此，在驱动 n 位 SAR 转换器的单次转换时，至少有 n 个窗口，外部大的瞬态电压可能影响转换结果。这些毛刺可能来自开关电源、附近的数字逻辑或高功率设备。数字输出的误差程度取决于参考电压、布局和外部事件的精确时序。

ADS8406 从外部参考吸取的电流很小，因为参考电压在内部进行了缓冲。若使用外部参考且来自运算放大器，要确保其能驱动旁路电容而不产生振荡。建议在引脚 1（REFIN）和引脚 48（REFM）之间直接连接 0.1 - µF 的旁路电容和 1 - µF 的存储电容，REFM 和 AGND 应在器件下方的同一接地平面上短接。AGND 和 BDGND 引脚应连接到干净的接地点，通常为模拟地，避免靠近微控制器或数字信号处理器的接地点。如有需要，可从转换器直接引出接地走线连接到电源入口点。理想的布局是为转换器和相关模拟电路设置专用的模拟接地平面。

+VA 应连接到 5 - V 电源平面或走线，该走线与数字逻辑的连接分开，直到电源入口点再连接。为 ADS8406 供电的电源应干净且有良好的旁路。应在尽可能靠近器件的位置放置 0.1 - µF 的陶瓷旁路电容，还建议使用 1 - µF 至 10 - µF 的电容。在某些情况下，可能需要额外的旁路措施，如 100 - µF 的电解电容或由电感和电容组成的 Pi 滤波器，以对 5 - V 电源进行低通滤波，去除高频噪声。

六、总结

ADS8406 是一款性能出色的 16 位 A/D 转换器，具有高分辨率、高速采样、低功耗、宽输入范围等优点，适用于多种应用场景。在使用过程中，需要根据其工作原理和特性，合理设计电路布局和时序控制，以充分发挥其性能优势。同时，在复位、上电初始化等操作中，要严格按照要求进行，确保转换器的稳定运行。你在使用 ADS8406 或其他 A/D 转换器时，遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。