ADS981x 系列 ADC 产品文档总结

该ADS9813是一个八通道数据采集（DAQ）系统，基于同步采样、18位逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器（ADC）。该ADS9813为每个通道提供完整的模拟前端 （AFE），并带有输入钳位。该器件还具有 1MΩ 输入阻抗和具有用户可选带宽选项的可编程增益放大器 （PGA）。高输入阻抗允许直接与传感器和变压器连接，从而消除了对外部驱动电路的需求。配置ADS9813以接受±12V、±10V、±7V、±5V、±3.5V和±2.5V双极性输入，输入共模电压高达±12V。

支持1.2V至1.8V工作的数字接口使ADS9813无需外部电压电平转换器即可使用。
*附件：ads9811.pdf

特性

• 8通道、18位ADC，带模拟前端：
  • 同时采样
  • 恒定的 1MΩ 输入阻抗前端
• 可编程模拟输入范围：
  • ±12V、±10V、±7V、±5V、±3.5V和±2.5V
  • 单端和差分输入
  • 共模电压范围：±12V
  • 输入过压保护：高达 ±18V
• 用户可选择的模拟输入带宽：
  • 22.7kHz 和 700kHz
• 集成低漂移精度基准：
  • ADC基准电压源：4.096V
  • 2.5V 基准输出，用于外部电路
• 全通量下的出色交流和直流性能：
  • DNL：±0.35LSB，INL：±0.8LSB
  • 信噪比：90.3dBFS，总谐波扰：–113dB
• 电源：
  • 模拟和数字：5V 和 1.8V
  • 数字接口：1.2V 至 1.8V
• 温度范围：–40°C 至 +125°C

参数

方框图

一、产品概述

ADS981x 系列（含 ADS9813、ADS9811、ADS9810）是德州仪器推出的 18 位 8 通道同步采样模数转换器（ADC） ，核心优势为高分辨率、宽输入范围与集成化模拟前端（AFE），专为半导体测试、可编程直流电源、参数测量单元（PMU）等高精度数据采集场景设计。系列内产品仅采样速率与功耗存在差异，均采用 7mm×7mm 56 引脚 VQFN（RSH 封装），支持 - 40°C 至 + 125°C 工业级工作温度，适配高通道数、高精度测量需求。

二、产品型号差异与核心参数

1. 型号功能对比

ADS981x 系列各型号核心差异集中在采样速率与功耗，基础架构与性能一致，具体如下：

功能参数	ADS9813	ADS9811	ADS9810
单通道采样速率	最高 2MSPS	最高 1MSPS	最高 1MSPS
总功耗（典型值）	244mW（满吞吐量）	177mW（满吞吐量）	177mW（满吞吐量）
模拟电源电流（AVDD_5V）	28.3mA（满吞吐量，内置参考）	21.3mA（同左）	21.3mA（同左）
数字电源电流（VDD_1V8）	52mA（满吞吐量，内置参考）	35mA（同左）	35mA（同左）

2. 核心性能参数（全系列通用）

参数	规格	备注
分辨率	18 位 SAR ADC	同步采样，无失码
输入特性	输入阻抗 1MΩ（恒定，与采样速率 / 量程无关）、过压保护 ±18V、共模电压范围 ±12V	高阻抗适配传感器直接连接，宽共模抑制干扰
可编程输入量程	±2.5V、±3.5V、±5V、±7V、±10V、±12V（差分 / 单端输入）	覆盖多场景信号幅度需求
模拟带宽	低噪声模式 22.7kHz、宽带宽模式最高 700kHz（±7V 量程时）	灵活适配低速高精度 / 高速采集需求
线性度	微分非线性（DNL）±0.35LSB（典型值）、积分非线性（INL）±0.8LSB（典型值）	18 位分辨率下线性度优异，降低校准复杂度
噪声性能	信噪比（SNR）90.3dBFS（低噪声模式，±12V 量程，f_IN=2kHz）、总谐波失真（THD）-113dB	低噪声高抗干扰，适配微弱信号采集
电源电压	模拟（AVDD_5V）：4.75V-5.25V；数字（VDD_1V8）：1.75V-1.85V；I/O（IOVDD）：1.15V-1.85V	双模拟电源设计，降低数字噪声串扰
参考电压	内置 4.096V 高精度参考（温度漂移 20ppm/°C）、2.5V 参考输出（供外部电路）	支持内置 / 外部参考切换，适配高精度校准需求

三、硬件设计关键信息

1. 封装与引脚

• 封装类型 ：56 引脚 VQFN（RSH），尺寸 7mm×7mm，暴露热焊盘需接地以保证散热（热阻 RθJA=23.2°C/W，RθJC=0.9°C/W）。
• 关键引脚功能 ：
  • 模拟输入：AIN1P/AIN1M 至 AIN8P/AIN8M（8 路差分输入，支持单端配置）、REFIO（参考电压输入 / 输出，内置参考时为输出，外接参考时为输入）、REFM（参考地，需接地）。
  • 电源：AVDD_5V（5V 模拟电源）、VDD_1V8（1.8V 数字电源）、IOVDD（I/O 电源，1.15V-1.85V）、GND（公共地，模拟 / 数字地共地设计）。
  • 时钟与同步：SMPL_CLKP/SMPL_CLKM（差分采样时钟输入，支持单端配置）、SMPL_SYNC（同步输入，用于多芯片同步）。
  • 数据接口：D0-D3（数据输出通道）、DCLKOUT（数据时钟输出）、FCLKOUT（帧时钟输出）、SPI 接口（CS/SCLK/SDI/SDO，用于配置）。
  • 控制与辅助：RESET（复位，低有效）、PWDN（掉电控制，低有效）、REFOUT_2V5（2.5V 参考输出）。

2. 电源与信号设计要求

• 电源设计 ：
  • 供电序列：无严格时序要求，但推荐先加 VDD_1V8，再加 AVDD_5V 与 IOVDD，避免电压冲击。
  • 去耦设计：所有电源引脚需就近布置 0.1μF 陶瓷电容 + 1μF 钽电容，REFIO 引脚需外接 10μF 电容滤波，降低参考电压噪声。
• 信号设计 ：
  • 模拟输入：支持直流 / 交流耦合，差分输入时需保证 AINxP 与 AINxM 阻抗匹配（误差 < 1%），避免增益误差；单端输入时需将 AINxM 接地。
  • 采样时钟：差分时钟需 AC 耦合，单端时钟需将 SMPL_CLKM 接地；时钟占空比需保持 45%-55%，抖动 < 10ps，避免采样误差。

四、核心功能与配置

1. 集成化模拟前端（AFE）

• 可编程增益与滤波 ：每通道集成可编程增益放大器（PGA）与低通滤波器（LPF），支持：
  • 增益适配：通过量程配置（±2.5V-±12V）间接调整增益，无需额外 PGA 芯片，简化电路。
  • 带宽选择：低噪声模式（22.7kHz）适配高精度低速采集，宽带宽模式（最高 700kHz）适配高速信号采集，满足不同场景需求。
• 输入保护与共模抑制 ：每路输入集成 ±18V 过压保护钳位电路，支持 ±12V 宽共模电压，共模抑制比（CMRR）-70dB（直流），有效抑制系统共模噪声（如工频干扰）。

2. 数据处理与接口

• 同步采样与多芯片级联 ：8 通道同步采样，支持通过 SMPL_SYNC 引脚实现多芯片同步，通道间相位差 < 1ns，适配高通道数测量系统（如多模块 PMU）。
• 灵活数据接口 ：支持 2 通道 / 4 通道输出，单数据率（SDR）/ 双数据率（DDR）模式，数据时钟（DCLKOUT）频率随采样速率与通道数自动调整（如 4 通道 DDR 模式，2MSPS 采样时 DCLKOUT=48MHz），适配高速数据传输。
• 数据优化功能 ：
  • 数据随机化：通过 XOR 操作随机化输出数据，减少地弹噪声对模拟性能的干扰。
  • 数据平均：支持简单平均（输出速率减半）与移动平均（无速率损失），SNR 最高改善 13dB（128 倍平均），适配弱信号高精度采集。
  • 测试图案：内置固定图案、数字斜坡、交替图案等测试模式，用于验证数据接口正确性，简化调试。

3. 参考电压与校准

• 内置参考 ：集成 4.096V 低漂移参考（温度漂移 20ppm/°C），支持外部参考输入（REFIO 引脚），适配更高精度需求（如外接 REF7040 等高精度参考芯片）。
• 系统校准 ：支持偏移与增益校准，校准后总未调整误差（TUE）可降至 ±0.0015%（25°C±5°C），满足半导体测试等超高精度场景。

五、应用设计与布局

1. 典型应用场景

• 参数测量单元（PMU） ：采用 ADS9813+FPGA 架构，8 路通道同时采集 DUT（被测器件）的电压与电流信号（通过分流电阻转换），低噪声模式（22.7kHz）下 SNR 达 89.1dBFS，满足 PMU±0.01% 精度要求；支持多芯片级联扩展至 32 通道，适配多引脚芯片测试。
• 可编程直流电源 ：利用宽量程（±12V）与高线性度（INL±0.8LSB），采集电源输出电压与电流，通过反馈控制实现输出精度 ±0.005%，宽带宽模式（500kHz）支持快速响应负载变化。

2. PCB 布局准则

• 分区设计 ：模拟区（AINxP/AINxM、REFIO、AVDD_5V）与数字区（SPI 接口、数据输出）严格分离，模拟地 / 数字地仅在器件热焊盘处单点连接；模拟输入走线需远离数字信号线（如时钟、数据总线），避免 EMI 干扰。
• 布线要求 ：
  • 模拟输入线：采用 100Ω 差分对布线，长度匹配误差 < 5mil，避免过孔；单端输入线需短路径布线，长度 < 5cm，减少寄生电阻。
  • 时钟线：差分时钟线长度匹配误差 < 2mil，单端时钟线需靠近地平面，减少辐射干扰。
• 热设计 ：暴露热焊盘需通过至少 4 个过孔连接至地平面，焊接面积≥5mm×5mm，确保满负荷工作时结温 < 125°C。