ADS8381：18位、580-KHz微功耗采样模数转换器的深度解析

 

在电子设计领域，高精度、高速的模数转换器（ADC）一直是工程师们关注的焦点。今天，我们就来深入探讨一款来自德州仪器（TI）的优秀产品——ADS8381，它在医疗仪器、光网络传感器接口以及高精度数据采集系统等领域都有着广泛的应用。

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一、ADS8381的关键特性

高性能指标

• 采样率与分辨率：ADS8381具备580-kHz的采样率，能够快速捕捉模拟信号的变化。同时，它保证了18位的分辨率，在整个温度范围内都能提供高精度的转换结果，确保了数据的准确性。
• 低功耗设计：在580 kHz的采样率下，功耗仅为115 mW，这种低功耗特性使得它在对功耗敏感的应用场景中表现出色，能够有效延长设备的续航时间。
• 零延迟特性：该转换器具有零延迟的特点，这意味着它能够实时响应输入信号的变化，对于需要快速处理数据的系统来说非常重要。

灵活的接口与设计

• 输入范围与参考：ADS8381采用单极性输入范围，板载参考缓冲器和转换时钟，参考缓冲器的电源范围为2.7 V至5.25 V，为设计提供了更大的灵活性。
• 并行接口：它支持8位、16位和18位的并行接口，用户可以根据实际需求选择合适的接口方式，方便与不同的微控制器或其他数字设备进行连接。
• 引脚兼容性：ADS8381与ADS8383引脚兼容，这使得在进行产品升级或替换时更加方便，减少了设计的复杂性。

二、技术规格详解

模拟输入特性

• 输入电压范围：理想输入跨度为0 V至Vref，绝对输入电压方面，+IN的范围是 -0.2 Vref + 0.2 V，-IN的范围是 -0.2 V至0.2 V。输入电容为45 pF，输入泄漏电流最大为1 nA。
• 分辨率与线性度：分辨率为18位，ADS8381IB保证18位无丢失码，ADS83811为17位无丢失码。积分线性度和差分线性度在不同条件下都有相应的规格要求，确保了转换器的线性性能。
• 误差指标：偏移误差在 -0.75 mV至 +0.25 mV之间，增益误差在 -0.1%FS至 +0.1%FS之间，噪声为60 μV RMS，电源抑制比在特定输出代码下为75 dB。

采样动态特性

• 转换与采集时间：转换时间为1.4 μs，采集时间为0.3 μs，能够快速完成模拟信号的采样和转换过程。
• 其他动态指标：吞吐量速率为580 kHz，孔径延迟为4 ns，孔径抖动为15 ps，阶跃响应和过电压恢复时间均为150 ns。

动态特性

• 谐波与噪声指标：在不同输入频率下，总谐波失真（THD）、信噪比（SNR）、信噪失真比（SINAD）和无杂散动态范围（SFDR）都有相应的规格。例如，在1 kHz输入频率下，THD为 -112 dB，SNR为88 dB。
• 带宽与参考输入：-3 dB小信号带宽为3 MHz，参考电压输入范围为2.5 V至4.2 V，参考电阻为500 kΩ，参考电流消耗为1 mA。

数字输入/输出与电源要求

• 数字特性：逻辑家族为CMOS，逻辑电平、输出电压和数据格式都有明确的规格。数据格式为直二进制，方便数字系统进行处理。
• 电源要求：+VBD缓冲电源电压范围为2.7 V至5.25 V，+VA模拟电源电压范围为4.75 V至5.25 V。在580-kHz采样率下，电源电流为23 mA至26 mA，功耗为115 mW至130 mW。

三、工作原理与应用要点

工作原理

ADS8381是一款基于电荷再分配的高速逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器，其架构本身包含了采样/保持功能。转换时钟由内部生成，1.4 μs的转换时间能够支持580-kHz的吞吐量。当启动转换时，内部电容阵列会对+IN和 -IN引脚的差分输入进行采样，转换过程中，两个输入与内部功能断开连接。

参考设计

该转换器可以使用2.5 V至4.2 V的外部参考电压，REFIN引脚的参考电压会在内部进行缓冲。为了确保转换器的良好性能，需要在该引脚提供干净、低噪声、去耦良好的参考电压。可以使用低噪声带隙参考（如REF3040）来驱动该引脚，并在引脚1和引脚48之间连接一个0.1-μF的去耦电容，且该电容应尽量靠近器件引脚。此外，还可以使用RC网络对参考电压进行滤波。

模拟输入设计

• 输入范围与电流：当转换器进入保持模式时，内部电容阵列会捕捉+IN和 -IN输入之间的电压差。-IN输入电压限制在 -0.2 V至0.2 V之间，+IN输入范围为 -0.2 V至Vref + 0.2 V，输入跨度限制在0 V至Vref。模拟输入电流取决于采样率、输入电压和源阻抗等因素，在采样期间，电流会对内部电容阵列进行充电。
• 输入驱动与滤波：为了保证转换器的性能，需要使用低噪声、高速的运算放大器（如THS4031）来驱动模拟输入。同时，建议在输入引脚使用RC滤波器对源噪声进行低通滤波，推荐使用15 Ω的串联电阻和1.2 nF的去耦电容。

数字接口设计

• 时序与控制：ADS8381使用内部振荡器生成的时钟来控制转换速率和吞吐量，无需外部时钟输入。转换通过将CONVST引脚拉低至少40 ns（满足要求后可拉高）来启动，同时CS引脚需为低电平。BUSY输出在CONVST拉低后立即变为高电平，转换过程中保持高电平，转换结束后变为低电平。
• 数字输入注意事项：CONVST输入引脚的下降沿应干净且抖动小，下降时间在10 ns至30 ns之间，可通过在该引脚串联一个约1000 Ω（10%公差）的电阻来满足要求。其他数字输入虽然不需要串联电阻，但为了确保转换器性能，建议在转换周期的前600 ns内完成输入引脚的所有活动。
• 数据读取：ADS8381以直二进制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。BYTE和BUS18/16用于多字读取操作，可根据需要选择8位、16位或18位的读取方式。

复位与初始化

• 复位操作：可以通过CS和CONVST的组合来复位设备。当CS为低电平且内部CONVERT状态为高电平时，CONVST的下降沿会启动复位；或者当内部CONVERT状态为高电平时，CS的下降沿也会导致复位。复位后，所有输出锁存器清零，BUSY信号变为低电平，随后在BUSY信号的下降沿开始新的采样周期。
• 初始化要求：首次上电时需要进行三次读取周期（RD必须切换三次），否则前三个转换周期的结果可能无效。这是为了加载特定设备的工厂校准数据，以确保转换器的高精度。

布局设计

为了实现ADS8381的最佳性能，需要注意其电路的物理布局。由于它通常与数字逻辑、微控制器等设备紧密配合使用，而SAR架构对电源、参考、接地连接和数字输入的毛刺或突然变化较为敏感，因此在布局时需要采取以下措施：

• 参考电压布局：ADS8381从外部参考吸取的电流很小，但如果参考电压来自运算放大器，要确保其能够驱动旁路电容而不产生振荡。建议在引脚1（REFIN）和引脚48（REFM）之间直接连接一个0.1-μF的旁路电容，并将REFM和AGND在器件下方的同一接地平面上短接。
• 接地设计：AGND和BDGND引脚应连接到干净的接地端，最好是模拟接地。避免与微控制器或数字信号处理器的接地点过于接近，必要时可直接从转换器连接一条接地走线到电源入口点。理想的布局是为转换器和相关模拟电路设置一个专用的模拟接地平面。
• 电源布局：+VA应连接到一个与数字逻辑连接分开的5-V电源平面或走线，直到在电源入口点连接。为ADS8381供电的电源应干净且经过良好的去耦处理，建议在靠近器件的位置放置一个0.1-μF的陶瓷旁路电容，同时还可使用1-μF至10-μF的电容。在某些情况下，可能需要额外的去耦措施，如100-μF的电解电容或由电感和电容组成的Pi滤波器，以去除5-V电源中的高频噪声。

四、总结

ADS8381是一款性能卓越的18位、580-KHz微功耗采样模数转换器，它在高精度、低功耗、灵活性等方面都有着出色的表现。通过对其技术规格、工作原理和应用要点的深入了解，工程师们可以更好地将其应用到实际设计中。在设计过程中，要特别注意参考电压、模拟输入、数字接口、复位初始化以及布局等方面的设计，以确保ADS8381能够发挥出最佳性能。希望本文能够为电子工程师们在使用ADS8381进行设计时提供有价值的参考。

你在使用ADS8381的过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。