德州仪器ADS8505：16位250-KSPS采样CMOS模数转换器的全方位解析

在电子工程师的日常工作中，模数转换器（ADC）是不可或缺的重要组件。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的一款高性能16位250-KSPS采样CMOS模数转换器——ADS8505。

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一、产品概述

ADS8505采用了先进的CMOS结构，是一款功能完备的16位采样A/D转换器。它集成了16位基于电容的逐次逼近寄存器（SAR）A/D转换器，还配备了采样保持（S/H）电路、参考源、时钟、微处理器接口以及三态输出驱动器。该转换器具有单5V电源供电、与ADS7805（低速）和12位ADS8504/7804引脚兼容等特点，可使用内部或外部参考源。

二、产品特性亮点

（一）高精度特性

1. 高线性度：ADS8505在250-kHz采样率下具有出色的无杂散动态范围（SFDR），可达105dB。其最大积分非线性（INL）为±1.5 LSB，最大微分非线性（DNL）为±1 LSB，且16位无失码，确保了转换的高精度。
2. 低误差：最大双极性零误差为±2 mV，且具有±0.4 PPM/°C的漂移；满量程误差最大为±0.1% FSR，漂移为±2 PPM/°C，保证了在不同温度环境下的稳定性能。

（二）其他特性

1. 宽输入范围：提供标准的±10-V输入范围，能满足多种工业应用需求。
2. 低功耗：在250 KSPS采样率下，典型功耗仅为70 mW，最大功耗不超过100 mW，适合对功耗有严格要求的应用场景。
3. 多种封装形式：有28引脚的SSOP和SOIC封装可供选择，且两种封装都能在工业级-40°C至85°C温度范围内稳定工作。

三、应用领域广泛

ADS8505凭借其高精度和高性能，在多个领域都有广泛的应用：

1. 工业过程控制：可用于精确采集工业生产过程中的各种模拟信号，实现对生产过程的精准控制。
2. 数据采集系统：能够高效、准确地将模拟信号转换为数字信号，为后续的数据处理提供可靠支持。
3. 数字信号处理：为数字信号处理系统提供高质量的输入数据，提升系统的处理效果。
4. 医疗设备：在医疗设备中，对信号的精度和稳定性要求极高，ADS8505的高性能能够满足这些需求，确保医疗设备的准确性和可靠性。
5. 仪器仪表：可用于各类仪器仪表中，提高测量的精度和可靠性。

四、电气特性详解

（一）分辨率与输入特性

ADS8505具有16位分辨率，模拟输入电压范围为±10 V，输入阻抗为11.5 kΩ，电容为50 pF。这些特性确保了它能够准确地采集模拟信号。

（二）直流精度

在直流精度方面，INL最大为±1.5 LSB，DNL最大为±1 LSB，无失码位数可达16位。过渡噪声典型值为0.77 LSB，满量程误差和双极性零误差也都在较小范围内，且具有较低的漂移。

（三）交流精度

交流精度表现同样出色，SFDR在20 kHz时可达105 dB，总谐波失真（THD）低至 -103 dB，信纳比（SINAD）可达88 dB，信号与（噪声 + 失真）比在 -60-dB输入时可达32 dB，信噪比（SNR）在20 kHz时可达88 dB。

（四）其他特性

转换周期为4个TTS，吞吐量速率为250 kHz，孔径延迟为5 ns，瞬态响应为2个TTS，过压恢复时间为150 ns。内部参考电压为2.5 V，参考源电流为1 μA，参考漂移为8 ppm/°C。

五、基本操作与使用要点

（一）启动转换

将 $\overline{CS}$（引脚25）和R/C（引脚24）同时拉低至少40 ns，即可使ADS8505的采样/保持进入保持状态并启动转换。BUSY（引脚26）会拉低，直到转换完成且内部输出寄存器更新后才会变高。在BUSY为低电平时，所有新的转换命令都会中止当前正在进行的转换并重置ADC。

（二 ）读取数据

ADS8505以二进制补码格式输出全并行或字节读取的16位数据。当R/C（引脚24）为高电平且 $\overline{CS}$（引脚25）为低电平时，并行输出有效。可以通过切换BYTE（引脚23）来读取一个转换周期内的两个字节数据。

（三）ADC复位

当BUSY为低电平时，将R/C拉低至少40 ns可启动ADC复位。要启动新的转换，R/C必须回到高电平，并保持足够长的时间以采集新的样本，然后再拉低以启动下一个转换序列。

（四）输入范围

ADS8505提供标准的±10-V输入范围。输入信号必须参考AGND1，且应由低阻抗源驱动，以减少接地环路问题。输入电阻分压器网络提供了至少±25 V的过压保护。

六、校准与参考源设置

（一）校准方式

ADS8505可以通过硬件或软件进行校准。由于偏移会直接影响增益，所以应先校准偏移，再校准增益。为达到最佳性能，可能需要多次迭代。

1. 硬件校准：按照图28(a)所示安装适当的电阻和电位器，即可对ADS8505的偏移和增益进行校准。
2. 软件校准：在软件中校准偏移和增益时，不需要外部电阻。
3. 无校准情况：某些应用中，图28(b)所示的外部电阻可能并非必需。这些电阻用于补偿内部偏移和增益调整，以便使用单电源进行校准。

（二）参考源

ADS8505可使用内部2.5-V参考源或外部参考源。通过向引脚5施加外部参考源，可绕过内部参考源。REF引脚（引脚3）是外部参考源的输入或内部2.5-V参考源的输出，应尽可能靠近该引脚连接一个2.2-µF电容，以减少参考源上的噪声。

七、布局与信号处理建议

（一）电源布局

为实现最佳性能，应将模拟和数字电源引脚连接到同一个+5-V电源，并将模拟和数字接地连接在一起。ADS8505的大部分功率（约90%）用于模拟电路，因此应将其视为模拟组件。A/D的+5-V电源应与系统数字逻辑的+5 V电源分开，以避免数字逻辑的开关噪声影响转换器性能。

（二）接地布局

ADS8505有三个接地引脚：DGND是数字电源接地，AGND2是模拟电源接地，AGND1是A/D内部所有模拟信号的参考接地。为获得最佳性能，应将A/D的所有接地引脚连接到模拟接地平面，并与系统的数字逻辑接地分开。

（三）信号调理

ADS8505的采样/保持FET开关释放的电荷注入仅为其他CMOS A/D转换器的5% - 10%，且具有电阻前端，可衰减释放的电荷。因此，前端抗混叠滤波器的要求较低，任何适用于应用信号的运算放大器都可用于驱动ADS8505。

（四）中间锁存器

虽然ADS8505的并行端口具有三态输出，但在转换期间如果总线需要保持活跃，建议使用中间锁存器。这是因为即使A/D处于三态，并行端口上快速开关信号的瞬态也可能通过衬底耦合到模拟电路，导致转换器性能下降。

八、总结

ADS8505以其高精度、低功耗、宽输入范围等优势，在工业过程控制、数据采集、医疗设备等多个领域展现出了强大的应用潜力。作为电子工程师，我们在设计过程中，需要充分理解其特性和使用要点，合理进行布局和信号处理，以发挥出该转换器的最佳性能。大家在使用ADS8505的过程中，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的使用经验呢？欢迎在评论区分享交流。