ADS1014L/ADS1015L 系列模数转换器技术文档总结

ADS1014L和ADS1015L （ADS101xL） 是精密、低功耗、12 位、I2C 兼容的模数转换器 （ADC），采用超小型 12 引脚 DSBGA 和 10 引脚 VSSOP 封装。ADS101xL 集成了一个低漂移基准电压源和一个振荡器。ADS101xL 还集成了一个可编程增益放大器 （PGA） 和一个数字比较器。这些功能以及器件宽工作电源范围适用于功率和空间受限的传感器测量应用。

ADS101xL 以高达每秒 3300 个样本 （SPS） 的数据速率执行转换。PGA 提供 ±256 mV 至 ±6.144 V 的输入范围，可实现精确的大信号和小信号测量。该ADS1015L具有输入多路复用器（MUX），允许两个差分或四个单端输入测量。使用 ADS101xL 中的数字比较器进行欠压和过压检测。
*附件：ads1014l.pdf

特性

• 无噪声分辨率：12 位
• 电源电压范围：2.0 V 至 3.6 V
• 低电流消耗：
  • 150 μA（连续转换模式）
• 可编程数据速率：128 SPS至3.3 kSPS
• 单周期稳定
• 内部低漂移基准电压源
• 内部振荡器
• 带ALERT输出引脚的数字比较器
• I2C接口：
  • 四个引脚可选地址
  • 与 1.8V I2C 总线电压兼容
• 工作温度范围：
  • –40°C 至 +125°C

参数

方框图

ADS1014L/ADS1015L 是德州仪器（TI）推出的 超小型、低功耗、12 位精度模数转换器（ADC）家族 ，核心优势为集成可编程增益放大器（PGA）、数字比较器、内部基准电压源与振荡器，支持 I2C 高速接口（兼容 1.8V 总线电压），适配系统监测、可穿戴设备、个人电子产品等对尺寸、功耗、精度有严苛要求的场景，工作温度覆盖 -40°C~+125°C，兼具高性能与环境适应性。

一、核心特性与器件分类

1. 共性核心特性

• 精度与采样性能 ：
  • 分辨率：12 位（无失码），积分非线性（INL）最大 0.5 LSB，偏移误差 ±0.5 LSB，确保高精度测量；
  • 采样率：可编程 128~3300 SPS（3.3 kSPS 最高），单周期稳定，转换时间 = 1 / 采样率（如 3300 SPS 对应～303 μs 转换时间）；
  • 输入范围：PGA 支持 ±0.256V~±6.144V 全量程（FSR），适配大小信号测量（如 ±2.048V 对应 LSB 为 62.5 μV）。
• 低功耗与小尺寸 ：
  • 功耗：连续转换模式下典型 150 μA，掉电模式仅 1.2 μA，3.3V 供电时功率 dissipation 约 0.5 mW，适配电池供电设备；
  • 封装：提供 12 引脚 DSBGA（1.47mm×1.03mm）与 10 引脚 VSSOP（3.00mm×4.9mm）两种超小型封装，节省 PCB 空间。
• 集成功能 ：
  • 模拟前端：ADS1015L 含输入多路复用器（MUX），支持 2 路差分或 4 路单端输入；ADS1014L 支持 1 路差分或 1 路单端输入；
  • 数字比较器：带 ALERT/RDY 输出引脚，支持传统比较器（过压 / 欠压检测）与窗口比较器模式，可配置锁存功能与触发次数（1/2/4 次超限触发）；
  • 辅助功能：内部低漂移电压基准（无需外部基准）、1 MHz 振荡器（无需外部时钟），集成温度传感器（间接监测环境温度）。
• 接口与可靠性 ：
  • I2C 接口：支持标准模式（100 kHz）与快速模式（400 kHz），4 种引脚可选地址（ADDR 接 GND/VDD/SDA/SCL），兼容 1.8V I2C 总线电压；
  • 错误检测：32 位校验和（Checksum）检测 SPI 写入错误，I2C 超时复位（25 ms 空闲自动复位）；
  • 防护：ESD 防护等级 HBM ±2000V、CDM ±500V，满足工业级可靠性要求。

2. 器件分类（按通道数）

两型号核心差异在于输入通道数量与多路复用器（MUX）配置，具体如下表：

型号	输入通道（差分 / 单端）	核心差异	典型应用场景
ADS1014L	1 路差分 / 1 路单端	无 MUX，需外部接 GND 实现单端测量	单通道电流 / 电压监测（如电源监测）
ADS1015L	2 路差分 / 4 路单端	含 MUX，支持多通道灵活切换	多通道传感器测量（如温度 / 湿度阵列）

二、封装与引脚功能

1. 封装参数

封装类型	引脚数	封装尺寸（标称）	引脚间距	最大高度	热阻特性（典型值）
DSBGA（YCJ）	12	1.47mm×1.03mm	-	0.35mm	RθJA=101.7°C/W，RθJB=25.9°C/W
VSSOP（DGS）	10	3.00mm×4.9mm	0.5mm	1.1mm	RθJA=182.7°C/W，RθJB=103.8°C/W

2. 关键引脚分类与功能

（1）VSSOP 封装（10 引脚）

引脚名称	类型	核心功能
AIN0~AIN3	模拟输入	ADS1015L 全支持（4 路单端 / 2 路差分）；ADS1014L 仅用 AIN0/AIN1（需 AIN1 接 GND 实现单端）
ALERT/RDY	数字输出	比较器输出（过压 / 欠压报警）或转换就绪信号（开漏输出，需上拉电阻接 VDD）
SCL/SDA	数字 I/O	I2C 接口时钟 / 数据，需上拉电阻（1kΩ~10kΩ 典型），支持 100/400 kHz 速率
ADDR	数字输入	I2C 地址选择（接 GND/VDD/SDA/SCL 对应 4 种地址：0x48~0x4B）
VDD/GND	电源 / 地	电源电压 2.0~3.6V，VDD 需并 0.1μF 去耦电容到 GND

（2）DSBGA 封装（12 引脚）

• 核心功能与 VSSOP 一致，引脚分布更紧凑：VDD 对应 C1/C2 引脚，GND 对应 B2/B3 引脚，AIN0/AIN1 对应 B1/A1 引脚，其余引脚（如 ADDR 对应 D2）功能与 VSSOP 一一对应，需注意 PCB 焊盘与钢网设计（推荐 0.125mm 钢网厚度）。

三、电气规格与性能指标

1. 电源与功耗（典型值，TA=25°C，VDD=3.3V）

电源参数	电压范围	典型电流（连续转换）	典型电流（掉电）	功率 dissipation
VDD（主电源）	2.0~3.6V	150 μA	1.2 μA	0.5 mW（3.3V）
数字输入引脚	0~3.6V	-	-	-

2. 模拟输入特性（TA=25°C，FSR=±2.048V）

参数	典型值	单位	说明
共模输入阻抗	6 MΩ（FSR=±2.048V）	MΩ	随 FSR 变化（FSR 越大阻抗越高）
差分输入阻抗	4.9 MΩ（FSR=±2.048V）	MΩ	确保小信号测量无衰减
输入电压范围	GND~VDD	V	绝对电压不得超 GND-0.3V~VDD+0.3V

3. 动态性能指标（TA=25°C，FSR=±2.048V，采样率 = 128 SPS）

参数	测试条件	典型值	单位
积分非线性（INL）	最佳拟合	±0.1	LSB
偏移误差（输入参考）	差分输入	±0.25	LSB
增益误差	TA=25°C	±0.05%	FSR
增益漂移	FSR=±2.048V	5	ppm/°C
噪声谱密度（NSD）	70MHz 偏移	-150	dBFS/Hz

四、核心功能与工作模式

1. 输入配置与 PGA 功能

• 输入模式 ：
  • 差分输入：ADS1014L 仅支持 AIN0-AIN1 差分；ADS1015L 支持 AIN0-AIN1、AIN0-AIN3、AIN1-AIN3、AIN2-AIN3 四种差分组合，共模抑制比高，适配噪声敏感场景；
  • 单端输入：ADS1014L 需 AIN1 接 GND；ADS1015L 通过 MUX 配置（如 AIN0-GND、AIN1-GND 等），仅用正半量程（0~FSR），适合多通道电压监测。
• PGA 配置 ：
  • 由 Configuration 寄存器 PGA [2:0] 位设置 FSR，如 010b 对应 ±2.048V、101b 对应 ±0.256V；
  • 注意：FSR 超过 VDD 时（如 VDD=3.3V 选 FSR=±4.096V），实际测量范围限为 ±VDD，无法达到满量程输出码。

2. 转换模式

（1）单 - shot 模式（默认掉电模式）

• 触发方式：向 Configuration 寄存器 OS 位写 1b 触发单次转换，转换完成后自动进入掉电模式；
• 适用场景：周期性测量（如每秒 1 次），显著降低功耗（例：3300 SPS 单 - shot 模式，每 7.8ms 触发 1 次，功耗仅为连续模式的 1/25）。

（2）连续转换模式

• 配置方式：Configuration 寄存器 MODE 位设 0b，转换完成后立即启动下一次转换；
• 数据读取：可随时读取 Conversion 寄存器，始终为最新转换结果，适配高频次监测（如实时电流采样）。

3. 数字比较器功能

• 工作模式 ：
  • 传统比较器：ALERT/RDY 引脚在转换值超 Hi_thresh 时断言（默认低有效），低于 Lo_thresh 时解除；
  • 窗口比较器：ALERT/RDY 在转换值超 Hi_thresh 或低于 Lo_thresh 时断言；
• 配置选项 ：
  • 锁存功能（COMP_LAT）：断言后保持，需读取 Conversion 寄存器或 SMBus 警报响应清除；
  • 触发次数（COMP_QUE）：可设 1/2/4 次连续超限触发，避免误报；
  • 极性（COMP_POL）：支持 active low/high 输出，适配不同系统电平要求。

4. I2C 接口与寄存器配置

（1）I2C 通信特性

• 地址选择：4 种可选地址（0x48~0x4B），通过 ADDR 引脚连接方式决定；
• 速率与时序：支持标准模式（100 kHz）与快速模式（400 kHz），SCL 高电平最小 4.0 μs（标准模式）/600 ns（快速模式），SDA 建立时间最小 0.25 μs（标准模式）/100 ns（快速模式）；
• 超时复位：I2C 通信空闲 25 ms 自动复位接口，需重新发送 START 条件恢复。

（2）核心寄存器

寄存器名称	地址指针	功能描述
Conversion	00b	16 位转换结果寄存器（12 位有效，左对齐，二进制补码格式）
Configuration	01b	16 位配置寄存器：设置转换模式、PGA、采样率、比较器参数（如 OS 位触发单 - shot）
Lo_thresh	10b	16 位低阈值寄存器（比较器下限，默认 0x8000）
Hi_thresh	11b	16 位高阈值寄存器（比较器上限，默认 0x7FFF）

五、应用设计建议

1. 典型应用场景

• 系统监测 ：电源电压监测（如 1.8V/3.3V rail）、电流测量（配合分流电阻）、温度测量（配合热敏电阻或温度传感器 IC）；
• 可穿戴设备 ：心率监测、血氧传感器信号采集（低功耗 + 小尺寸适配）；
• 个人电子产品 ：电池电量监测、环境光传感器信号转换。

2. 硬件设计建议

（1）电源与去耦

• 电源设计：VDD 推荐 2.0~3.3V，需与数字电源隔离，避免噪声耦合；
• 去耦配置：VDD 引脚旁并 0.1μF 多层陶瓷电容（MLCC，0402 封装）到 GND，距离不超过 2mm，无过孔连接以降低寄生电感。

（2）输入电路设计

• 差分输入：AINP/AINN 布线长度匹配（差异 <0.5mm），远离数字信号线（如 SCL/SDA），避免共模噪声；
• 单端输入：AINN 接 GND 需短而粗（阻抗 <1Ω），输入串 100Ω 限流电阻（防止过压损坏）；
• 滤波建议：输入并 RC 低通滤波器（如 100Ω+0.47μF），截止频率设为采样率的 1~10 倍，抑制 alias 噪声。

（3）I2C 总线设计

• 上拉电阻：SCL/SDA 接 1kΩ~10kΩ 上拉电阻（400 kHz 速率选 2.2kΩ，100 kHz 选 4.7kΩ），总线电容 ≤400 pF；
• 多器件连接：同一 I2C 总线最多接 4 个 ADS101xL（用不同 ADDR 配置），长距离布线需降低上拉电阻值（如 1m 线长选 1kΩ）。