14位高速1.8V微功耗采样ADC——ADS8324的深度解析

 

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，我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的一款高性能ADC——ADS8324。它以其出色的性能和低功耗特性，在众多应用场景中展现出强大的竞争力。

文件下载：ads8324.pdf

一、ADS8324的特性亮点

1. 高精度与高速度

ADS8324是一款14位的采样ADC，具备50kHz的采样率，能够在高速数据采集场景中准确地将模拟信号转换为数字信号。即使在满50kHz数据速率下运行，它的功耗也非常低。在较低数据速率下，其高速特性使它大部分时间可处于掉电模式，例如在10kHz数据速率下，平均功耗小于1mW。

2. 低功耗设计

该转换器具有微功耗特性，在2.7V供电时功耗为5.0mW，在1.8V供电时功耗仅为2.5mW。此外，其掉电模式下最大电流仅为3μA，非常适合对功耗要求苛刻的应用，如便携式和电池供电系统。

3. 接口与输入特性

ADS8324采用同步串行（SPI/SSI兼容）接口，方便与微处理器和其他数字系统进行通信。它还具有差分输入，参考电压可在500mV至VCC/2范围内设置，为设计提供了更大的灵活性。

二、技术参数详解

1. 绝对最大额定值

在使用ADS8324时，需要注意其绝对最大额定值。例如，Vcc最大为+6V，逻辑输入范围为-0.3V至+6V，结温最高为+150°C，存储温度最高为+125°C等。超过这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

2. 引脚分配

ADS8324采用MSOP - 8封装，各引脚功能明确。VREF为参考输入，+In和-In为差分模拟输入，GND为接地，CS/SHDN用于芯片选择和关机模式控制，DoUT为串行输出数据，DCLOCK为数据时钟，+Vcc为电源供应。

3. 电气特性

在特定条件下（如-40°C至+85°C，VREF = 0.9V，-In = 0.9V，SAMPLE = 50kHz，fCLK = 24 • fSAMPLE），ADS8324展现出一系列优秀的电气特性。其分辨率为14位，模拟输入具有特定的范围和电容、泄漏电流等参数。在系统性能方面，无丢失码为14位，积分线性误差、双极性零误差、增益误差等指标也有明确的规定。

三、工作原理剖析

1. 架构基础

ADS8324是一款典型的逐次逼近寄存器（SAR）A/D转换器，基于电容重新分配架构，本身包含采样保持功能。它采用0.6μ CMOS工艺制造，这种架构和工艺使得它能够在每秒高达50,000次转换的同时，从+VCC汲取的功率小于3.0mW。

2. 外部参考与时钟

该转换器需要外部参考、外部时钟和单一电源（VCC）。外部参考电压范围为500mV至VCC/2，直接设定模拟输入范围，参考输入电流取决于转换速率。外部时钟频率可在24kHz（1kHz吞吐量）至1.2MHz（50kHz吞吐量）之间变化，时钟占空比只要高低时间至少为200ns即可。

3. 模拟输入处理

模拟输入为双极性且完全差分，可采用单端或差分驱动方式。单端输入时，-In输入保持固定电压，+In输入围绕该电压摆动，峰峰值幅度为2 • VREF。差分输入时，输入幅度为+In和-In输入之差，每个输入的峰峰值幅度为VREF，差值电压的峰峰值幅度为2 • VREF。在驱动输入时，要注意源的输出阻抗匹配，否则可能导致误差。

4. 数字输出

转换的数字结果通过DCLOCK输入时钟输出，以串行方式在DoUT引脚提供，先输出最高有效位。DoUT引脚提供的是当前正在进行的转换的数字数据，无流水线延迟。

四、性能优化与应用注意事项

1. 噪声处理

ADS8324本身噪声极低，但随着参考电压降低，内部噪声导致的误差会相对增加。可以通过平均连续转换结果来降低噪声影响，对于接近直流的输入信号，可采用平均数字代码的方法；对于交流信号，可使用数字滤波器进行低通滤波和抽取。

2. 数字接口

其CMOS数字输出（DoUT）在0V至VCC之间摆动。通过同步3线串行接口与微处理器等数字系统通信，DCLOCK信号同步数据传输，下降沿传输每一位，大多数接收系统在上升沿捕获位流。CS信号控制转换和数据传输，转换完成后需将CS置高使DoUT处于三态。

3. 功耗管理

为实现最低功耗，应找到满足系统要求的最低转换速率。ADS8324在转换完成和CS为高电平时处于掉电模式，理想情况下应尽快完成每次转换，让转换器在掉电模式下花费尽可能长的时间。

4. 布局设计

为获得最佳性能，要注意ADS8324电路的物理布局。电源要干净且充分旁路，参考电压也需类似处理。GND引脚应连接到干净的接地点，避免靠近微处理器等数字元件的接地端。

五、应用电路示例

图10展示了一个基本的数据采集系统，ADS8324输入范围为0V至VCC，参考输入直接连接到电源。通过5Ω电阻和1μF至10μF电容过滤电源上的噪声，确保系统稳定运行。

ADS8324凭借其高精度、低功耗、灵活的接口和输入特性等优势，在电池供电系统、远程数据采集、工业控制等众多领域具有广泛的应用前景。作为电子工程师，我们在设计中合理运用这款ADC，并注意相关的性能优化和应用注意事项，就能充分发挥其潜力，实现高效、稳定的系统设计。你在使用类似ADC的过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。