ADS868x 16 位高速单电源 SAR ADC 核心信息总结

ADS8681、ADS8685和ADS8689属于基于逐次逼近 （SAR） 模数转换器 （ADC） 的集成数据采集系统系列。这些器件具有高速、高精度 SAR ADC、集成模拟前端 （AFE） 输入驱动电路、高达 ±20 V 的过压保护电路，以及具有极低温度漂移的片内 4.096V 基准电压源。
*附件：ads8681.pdf

这些器件采用单5 V模拟电源供电，但支持±12.288 V、±6.144 V、±10.24 V、±5.12 V和±2.56 V的真双极性输入范围，以及0 V至12.288 V、0 V至10.24 V、0 V至6.144 V和0 V至5.12 V的单极性输入范围。增益和失调误差在每个输入范围的指定值内精确调整，以确保高直流精度。输入范围的选择通过器件内部寄存器的软件编程完成。无论所选输入范围如何，这些器件都提供高电阻输入阻抗（≥ 1 MΩ）。

多SPI数字接口向后兼容传统SPI协议。此外，可配置的功能简化了与各种主机控制器的接口。

特性

• 16 位 ADC，集成模拟前端
• 高速：
  • ADS8681：1 MSPS
  • ADS8685：500 kSPS
  • ADS8689：100 kSPS
• 软件可编程输入范围：
  • 双极性范围：±12.288 V、±10.24 V、±6.144 V、±5.12 V 和 ±2.56 V
  • 单极性范围：0 V–12.288 V、0 V–10.24 V、0 V–6.144 V 和 0 V–5.12 V
• 5V 模拟电源：1.65V 至 5V I/O 电源
• 恒定电阻输入阻抗 ≥ 1 MΩ
• 输入过压保护：高达 ±20 V
• 片内4.096V基准电压源，具有低漂移
• 卓越的性能：
  • DNL：±0.4 LSB;INL：±0.5 LSB
  • 信噪比：92 分贝;总谐失真：–107 分贝
• ALARM →高、低阈值
• 带菊花链的多SPI™接口
• 扩展的工业温度范围：–40°C 至 +125°C

参数

方框图

ADS868x 系列（含 ADS8681/ADS8685/ADS8689）是德州仪器推出的集成数据采集系统，基于逐次逼近型（SAR）ADC，具备 16 位分辨率，支持单电源供电（5V 模拟电源），提供 TSSOP-16 与 WQFN-16 两种封装，工作温度范围–40°C 至 + 125°C，兼具可编程输入范围、高阻抗输入、超压保护与灵活通信特性，专为模拟输入模块、半导体测试、伺服驱动控制模块等工业场景设计。

一、核心特性与关键参数

1. 基础性能

• 采样与分辨率：16 位无失码分辨率，采样速率分档可选（ADS8681：1 MSPS、ADS8685：500 kSPS、ADS8689：100 kSPS）；微分非线性（DNL）±0.4 LSB，积分非线性（INL）±0.5 LSB，直流精度优异。
• 输入范围：软件可编程双极性（±12.288 V/±10.24 V/±6.144 V/±5.12 V/±2.56 V）与单极性（0 V–12.288 V/0 V–10.24 V/0 V–6.144 V/0 V–5.12 V）输入，适配不同幅值信号采集。
• 动态性能：信噪比（SNR）最高 92 dB，总谐波失真（THD）低至–107 dB，无杂散动态范围（SFDR）最高 114 dB；输入阻抗≥1 MΩ（与采样率无关），共模抑制比（CMRR）超 100 dB，抗干扰能力强。

2. 核心功能

• 保护与集成设计：内置 ±20 V 输入超压保护（AVDD=5 V 时），AVDD 悬浮时支持 ±15 V 保护；集成 2 阶低通抗混叠滤波器（–3 dB 截止频率 15 kHz）、ADC 驱动放大器与 4.096 V 低漂移基准源（温度漂移 4 ppm/°C–7 ppm/°C），简化前端设计。
• 报警与监控：支持输入电压高低阈值报警与 AVDD 供电监控（阈值 4.7 V–5.3 V），具备报警标志与滞后功能，可通过引脚或寄存器反馈异常状态。
• 通信接口：采用 multiSPI 接口，兼容标准 SPI 协议（CPOL/CPHA 可配置），支持单 / 双 SDO 输出、菊花链级联与源同步传输，最高 SCLK 频率 66.67 MHz，适配多设备扩展与高速数据传输。

3. 功耗与可靠性

• 功耗特性：动态功耗（最大吞吐量）ADS8681 典型值 8.2 mA，ADS8685 5.6 mA，ADS8689 4 mA；支持休眠（NAP）与掉电（PD）低功耗模式，掉电电流仅 10 μA，平衡性能与功耗。
• 可靠性：ESD 防护 ±4000 V（模拟输入引脚）、±2000 V（其他引脚）；结温最高 150°C，TSSOP 封装结到环境热阻 95.7 °C/W，WQFN 封装 31.9 °C/W，适应恶劣工业环境。

二、核心功能解析

1. 输入与信号调理

• 高阻抗输入：输入阻抗≥1 MΩ，无需额外驱动放大器，可直接连接传感器或信号源，降低系统复杂度；输入电流小，减少信号源负载影响。
• 超压保护：内部集成过压保护电路，通过 1 MΩ 输入电阻与钳位二极管限制输入电流，避免过压损坏器件，适配工业强干扰场景。
• 基准与滤波：内置 4.096 V 基准源（可外接基准），基准缓冲器漂移低至 0.5 ppm/°C；2 阶低通滤波器有效抑制带外噪声，提升动态性能。

2. 通信与扩展

• 灵活接口：支持标准 SPI、双 SDO 高速传输、菊花链级联三种模式，可通过寄存器配置数据输出格式（含设备地址、量程、报警标志等附加信息），适配单设备或多设备组网需求。
• 菊花链扩展：多设备级联时共享 SCLK 与 CONVST/CS 引脚，通过 SDI/SDO 首尾连接，实现多通道同步采集，无需额外控制引脚。

3. 报警与低功耗管理

• 报警功能：可编程输入高低阈值与滞后电压，支持输入超量程报警与 AVDD 供电异常报警，报警状态通过引脚中断或寄存器读取，便于实时监控。
• 低功耗模式：休眠模式（NAP）通过寄存器使能，CONVST/CS 保持高电平时进入，唤醒时间 20 μs；掉电模式（PD）可关闭模拟电路，仅保留寄存器配置，唤醒时间 20 ms，适配低吞吐量低功耗场景。

三、应用场景

适用于模拟输入模块、半导体参数测试设备、伺服驱动器电流 / 电压采集、工业数据采集系统等场景，尤其适配需要单电源供电、宽输入范围、高抗干扰能力的工业控制与测试应用。

四、封装与订购信息

• 封装规格：16 引脚 TSSOP（PW 封装，5.0 mm×4.4 mm）与 16 引脚 WQFN（RUM 封装，4.0 mm×4.0 mm），均符合 RoHS 标准，引脚镀层为 NIPDAU，焊接兼容性良好。
• 订购型号：量产型号包括 ADS8681IPW（TSSOP，管装 90 个）、ADS8681IRUMR（WQFN，卷带 3000 个）、ADS8685IPWR（TSSOP，卷带 2000 个）、ADS8689IPWR（TSSOP，卷带 2000 个）等，MSL 等级 3（TSSOP）/1（WQFN），峰值回流温度 260°C。

五、设计与使用建议

1. 电源与基准

• 电源设计：模拟电源（AVDD）需 4.75 V–5.25 V，数字电源（DVDD）1.65 V–AVDD；AVDD 与 AGND、DVDD 与 DGND 需分别就近配置 1 μF+10 μF 去耦电容，减少电源噪声影响。
• 基准配置：使用内置基准时，REFIO 引脚需并联 4.7 μF 滤波电容至 REFGND；使用外置基准时，需将 REFIO 配置为输入，外部基准电压范围 4.046 V–4.146 V，建议搭配低噪声基准源（如 REF5040）。

2. 输入与布局

• 输入配置：模拟输入需控制在所选量程内，未使用通道建议接地；AIN_P 与 AIN_GND 引脚布线对称，匹配源阻抗，减少偏移误差。
• 布局规范：PCB 分为模拟区与数字区，采用单接地平面；模拟信号远离 SCLK 等数字高速信号；REFIO、REFCAP 引脚滤波电容紧邻器件，避免 vias，降低基准噪声。

3. 接口与同步

• 通信配置：根据传输速率选择 SPI 模式（CPOL/CPHA），高速传输推荐双 SDO 模式或源同步传输；多设备级联时需确保所有设备配置一致，SCLK 频率匹配器件吞吐量。
• 同步采集：多设备同步时，共享 CONVST/CS 信号触发转换，通过菊花链实现数据串行传输，确保通道间时序一致性。

六、关键设计要点

• 量程选择：根据信号幅值选择合适输入量程，最大化 ADC 动态范围；例如 ±12 V 信号选择 ±12.288 V 量程，5 V 信号选择 0 V–6.144 V 量程。
• 校准与初始化：上电后需等待基准稳定（约 20 ms），必要时通过寄存器配置报警阈值与通信模式；多设备级联需先配置主设备，再通过菊花链配置从设备。
• 抗干扰措施：模拟输入串联合适电阻抑制 ESD，电源端添加磁珠滤波；数字地与模拟地单点连接，减少地环路干扰。