解析ADS8329与ADS8330：低功耗16位ADC的卓越之选

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个关键环节，对于需要高精度和高速数据采集的应用来说，选择合适的ADC至关重要。今天，我们就来深入探讨TI公司的两款低功耗、16位、1 - MHz的单/双单极性输入、带串行接口的模拟 - 数字转换器：ADS8329和ADS8330。

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产品概述

ADS8329和ADS8330是TI公司推出的高性能ADC，适用于多种应用场景，如通信、传感器接口、医疗仪器、磁力计、工业过程控制、数据采集系统和自动测试设备等。它们具有2.7 - V至5.5 - V的模拟电源，低功耗特性显著，在1 MHz采样率、+VA = 3 V、+VBD = 1.8 V的条件下，功耗仅为15.5 mW。同时，它们具备出色的DC和AC性能，能够满足大多数应用的需求。

关键特性

• 宽电压范围与低功耗：模拟电源范围为2.7 - V至5.5 - V，不同电压下有不同的采样率。在3 V ≤ +VA ≤ 5.5 V时，采样率可达1 MHz；在2.7 V ≤ +VA ≤ 3 V时，采样率为900 kHz。低功耗设计使其在电池供电的设备中表现出色。
• 卓越的DC性能：INL（积分非线性）典型值为±1.0 LSB，最大值为±1.75 LSB；DNL（微分非线性）典型值为±0.5 LSB，最大值为±1 LSB。在3 V时，最大偏移误差为±0.5 mV；在5 V时，最大偏移误差为±1 mV。
• 出色的AC性能：在f₁ = 10 kHz时，SNR（信噪比）可达93 dB，SFDR（无杂散动态范围）可达105 dB，THD（总谐波失真）可达 - 102 dB。
• 内置转换时钟：内置转换时钟（CCLK），频率范围为21 - 24.5 MHz，也可使用外部串行时钟SCLK作为I/O时钟或转换时钟。
• 丰富的功能特性：具有全面的掉电模式，包括深度掉电、小憩掉电和自动小憩掉电；单极性输入范围为0 V至VREF；支持软件复位；全局CONVST独立于CS；可编程状态/极性EOC/INT；提供16 - 引脚4 × 4 QFN和16 - 引脚TSSOP封装；支持多芯片菊花链模式；可编程TAG位输出；ADS8330还支持自动/手动通道选择模式。

电气特性分析

模拟输入特性

模拟输入的满量程输入电压范围为0至+VREF，绝对输入电压在AGND - 0.2 V至+VA + 0.2 V之间。输入电容约为40 - 45 pF，输入泄漏电流在无转换且直流输入时为 - 1至1 nA。ADS8330的输入通道隔离度在直流时可达109 dB。

系统性能指标

分辨率为16位，无失码。INL和DNL的性能在不同型号（如ADS8329IB、ADS8330IB和ADS8329I、ADS8330I）有所差异。偏移误差和增益误差也有相应的典型值和最大值，且偏移误差漂移和增益误差漂移在特定条件下有明确的指标。CMRR（共模抑制比）在直流时可达70 dB，在1 MHz、Vi = 0.4 Vpp时为50 dB。噪声为33 μV RMS，PSRR（电源抑制比）在FFFFh输出代码时可达78 dB。

采样动态特性

转换时间为18 CCLK，采集时间在手动触发和自动触发模式下均为3 CCLK。吞吐量率为1 MHz，孔径延迟为5 ns，孔径抖动为10 ps，阶跃响应和过压恢复时间均为100 ns。

动态特性

在不同频率和输入电压下，THD、SNR、SINAD（信噪失真比）和SFDR等动态指标表现出色。例如，在VIN = 5 Vpp、10 kHz时，THD为 - 102 dB，SNR为93 dB。

时钟特性

内部转换时钟频率范围为21 - 24.5 MHz，外部串行时钟SCLK作为I/O时钟时最大可达50 MHz，作为I/O时钟和转换时钟时最大可达42 MHz。

外部电压参考输入特性

输入参考范围为0.3 V至+VA，参考输入电阻为40 kΩ。

数字输入/输出特性

逻辑家族为CMOS，高电平输入电压VIH为0.65 × (+VBD)至+VBD + 0.3 V，低电平输入电压VIL为 - 0.3 V至0.35 × (+VBD)。输入电流在Vi = +VBD或BDGND时为 - 50至50 nA，输入电容为5 pF。高电平输出电压VoH为+VBD - 0.6 V至+VBD，低电平输出电压VoL为0至0.4 V，输出电容为5 pF，负载电容为30 pF。数据格式为直二进制。

电源要求

+VBD电源电压范围为1.65 - 5.5 V，+VA电源电压范围在不同采样率下有所不同。在1 - MHz采样率、3 V ≤ +VA ≤ 3.6 V时，电源电流为5.1 - 6.1 mA；在900 - kHz采样率、2.7 V ≤ +VA ≤ 3 V时，电源电流为4.84 mA。NAP/Auto - NAP模式下电源电流为0.25 - 0.4 mA，深度掉电模式下电源电流为2 - 50 nA。

引脚分配与功能

ADS8329和ADS8330的引脚分配在QFN和TSSOP封装中有详细定义。主要引脚包括模拟地AGND、接口地BDGND、转换启动CONVST、状态输出EOC/INT/CDI、帧同步/芯片选择FS/CS、模拟输入+IN和 - IN（或COM）、参考输入REF +和REF - 、串行时钟SCLK、串行数据输入SDI和输出SDO、模拟电源+VA和接口电源+VBD等。每个引脚都有其特定的功能，例如CONVST用于冻结采样保持并启动转换，EOC/INT/CDI可作为状态输出或链数据输入。

工作原理与操作模式

理论基础

ADS8329/30采用逐次逼近寄存器（SAR）架构，基于电荷再分配原理，自带采样/保持功能。内部时钟可用于控制转换速率，也可通过编程使用外部串行时钟SCLK作为转换时钟。

模拟输入处理

当转换器进入保持模式时，+IN和 - IN输入之间的电压差被捕获到内部电容阵列上。输入电压有一定的限制范围，以确保转换器的线性度。输入电流取决于采样率、输入电压和源阻抗，在采样期间为内部电容阵列充电，充电完成后无进一步输入电流。为了保证性能，需要注意输入信号的带宽、源输出阻抗匹配等问题。

驱动放大器选择

模拟输入需要由低噪声的运算放大器驱动，如THS4031或OPA365。建议在输入引脚处使用RC滤波器进行低通滤波，推荐使用两个20 Ω电阻和一个470 pF电容。驱动放大器的最小 - 3 dB带宽可根据公式计算，在ADS8329/30的分辨率为16位、最小采集时间为120 ns时，最小带宽为15.6 MHz。

双极性到单极性驱动

在输入为双极性的系统中，可使用THS4031的反相配置，并添加DC偏置，以确保输入在ADS8329/30的额定工作电压范围内。这种配置在需要良好SNR和THD性能的信号处理应用中推荐使用。

参考电压

ADS8329/30可使用0.3 V至5 V的外部参考电压，需要干净、低噪声且去耦良好的参考电压。可使用低噪声带隙参考如REF3240驱动该引脚，并在REF +和REF - 引脚之间使用22 μF陶瓷去耦电容。

转换器操作

转换器的内部振荡器作为转换时钟，频率最低为21 MHz。采集时间为3 CCLK（在24.5 MHz时相当于120 ns），转换时间为18 CCLK（约780 ns）。也可通过编程使用外部串行时钟SCLK作为转换时钟，SCLK频率先减半后作为CCLK。

通道选择模式

• 手动通道选择模式：通过向命令寄存器（CMR）写入通道号来选择采集通道，周期最短为4个串行时钟（SCLK）。
• 自动通道选择模式：这是默认模式，ADS8330的内置2 - 1 MUX会按固定顺序采集通道0和通道1的信号。

转换启动

转换可通过将CONVST引脚拉低至少40 ns来启动，之后可将其拉高。CONVST独立于FS/CS，可用于多个转换器的同时采样/保持应用。也可通过编程（CFR_D9 = 0）实现自动触发转换，下一次转换在当前转换结束后3个CCLK自动启动。

状态输出EOC/INT

状态引脚可配置为EOC或INT，极性可编程。在手动触发模式下，CONVST拉低后EOC输出变低，转换完成后变高；在自动触发模式下，EOC在转换结束后低3个CCLK。

掉电模式

• 深度掉电模式：通过配置寄存器位CFR_D2激活，除接口外所有模块掉电，外部SCLK被阻断到模拟模块，内部振荡器关闭。电源电流在100 ns内从7 mA降至4 nA，唤醒时间为1 μs。
• 小憩模式：关闭比较器和中间电压缓冲器的偏置，电源电流在200 ns内从7 mA降至约0.3 mA，唤醒时间为3 CCLK（在24.5 MHz时为120 ns）。
• 自动小憩模式：与小憩模式类似，转换结束后自动进入掉电状态，CONVST可唤醒设备。

数字接口与寄存器

数字接口

串行时钟SCLK频率最高可达50 MHz，每个周期从FS/CS的下降沿开始。串行接口非常灵活，支持多种CPOL和CPHA组合。完整的串行I/O周期通常为16个SCLK，但根据不同的读取模式组合，可能为4个SCLK或最多24个SCLK。

内部寄存器

内部寄存器由4位命令寄存器（CMR）和12位配置数据寄存器（CFR）组成。CMR定义了各种命令，如选择模拟输入通道、唤醒、读取CFR、读取数据、写入CFR和设置默认模式等。CFR用于配置转换器的各种参数，如通道选择模式、转换时钟源、触发模式、引脚极性和功能等。

读取与写入操作

• 写入操作：可通过向CMR写入4位命令或向CFR写入16位数据来配置转换器。简单命令只需4个SCLK，CFR写入需要16个SCLK。
• 读取操作：主机处理器可通过发出相应命令读取CFR或转换结果。读取CFR时，包含转换数据的前4个MSB和有效的12位CFR内容。转换结果为16位直二进制格式，输出数据左对齐，MSB优先。

链模式与复位

链模式

ADS8329/30可在链模式下工作，通过将EOC/INT引脚配置为链数据输入（CDI）实现。在链模式下，需要注意处理多个CS信号，确保数据传输的正确性。不同的读取模式组合所需的SCLK数量不同，同时SCLK的最大频率可能受转换器间的SCLK偏移和数据路径延迟影响。

复位

转换器有上电复位（POR）和软件复位（使用CFR_D0）两种机制，复位后所有寄存器数据设置为默认值，SDO输出在复位后的周期内为全1。

应用信息与典型连接

文档中提供了典型电路配置，同时提到了器件的硅片变更信息。在实际应用中，需要根据具体需求合理选择器件和配置参数，确保系统的性能和稳定性。

总结

ADS8329和ADS8330是两款功能强大、性能卓越的16位ADC，具有低功耗、宽电压范围、出色的DC和AC性能以及丰富的功能特性。在通信、医疗、工业等多个领域都有广泛的应用前景。作为电子工程师，在设计相关系统时，应充分了解其电气特性、操作模式和接口要求，以实现最佳的设计效果。你在使用这类ADC时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。