ADC088S102：低功耗8通道8位A/D转换器的设计与应用

在电子工程师的日常设计工作中，模拟到数字的转换是一个常见且关键的环节。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）的一款低功耗、8通道、8位A/D转换器——ADC088S102，它在众多领域都有着广泛的应用前景。

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一、产品概述

ADC088S102是一款基于逐次逼近寄存器架构的CMOS 8位A/D转换器，具备内部采样保持电路，转换吞吐量速率为500 kSPS至1 MSPS。它拥有8个输入通道，支持可变电源管理，独立的模拟和数字电源，并且其输出的串行数据为直二进制格式，与SPI、QSPI、MICROWIRE和许多常见的DSP串行接口兼容，采用16引脚TSSOP封装。

二、关键特性与规格

（一）特性亮点

1. 多通道输入：8个输入通道（IN0 - IN7），可同时处理多个模拟信号输入。
2. 独立电源：模拟电源（$V{A}$）范围为+2.7V至+5.25V，数字电源（$V{D}$）范围为+2.7V至$V_{A}$，支持独立供电，降低电源干扰。
3. 低功耗设计：正常功耗在+3V或+5V电源下分别为1.8 mW和8.0 mW，掉电模式下功耗更低，+3V时为0.03 µW，+5V时为0.15 µW。
4. 接口兼容性：与多种常见接口标准兼容，方便与其他数字电路集成。

（二）关键规格参数

参数	详情
转换速率	500 kSPS至1 MSPS
INL（$V{A}=V{D}=5.0 V$）	±0.2 LSB（max）
DNL（$V{A}=V{D}=5.0 V$）	±0.3 LSB（max）
电源功耗（3V）	1.8 mW（typ）
电源功耗（5V）	8.0 mW（typ）

三、引脚说明与等效电路

（一）模拟输入引脚（4 - 11）

INO - IN7为模拟输入引脚，信号范围从0V到$V_{REF}$。

（二）数字输入输出引脚

1. SCLK（16）：数字时钟输入，频率范围为8 MHz至16 MHz，直接控制转换和读出过程。
2. DOUT（15）：数字数据输出，输出样本在SCLK引脚的下降沿从该引脚时钟输出。
3. DIN（14）：数字数据输入，ADC088S102的控制寄存器在SCLK引脚的上升沿通过该引脚加载数据。
4. CS（1）：芯片选择，CS下降沿开始转换过程，只要CS保持低电平，转换就会继续。

（三）电源引脚

1. VA（2）：正模拟电源引脚，也是参考电压，应连接到+2.7V至+5.25V的安静电源，并通过1 uF和0.1 uF的单片陶瓷电容旁路到GND。
2. VD（13）：正数字电源引脚，应连接到+2.7V至$V_{A}$的电源，并通过0.1 uF的单片陶瓷电容旁路到GND。
3. AGND（3）：模拟电源和信号的接地返回。
4. DGND（12）：数字电源和信号的接地返回。

四、电气特性

（一）静态特性

分辨率为8位无缺失码，INL、DNL、偏移误差等参数都有明确的规格限制，确保了转换的准确性。

（二）动态特性

全功率带宽为8 MHz，SINAD、SNR等指标反映了其在动态信号处理方面的性能。

（三）输入输出特性

模拟输入范围为0至$V_{A}$，数字输入输出的电压、电流和电容等参数也有详细规定。

（四）电源特性

不同电源电压和工作模式下的电源电流和功耗都有明确的数值，方便工程师进行功耗优化设计。

（五）AC电气特性

时钟频率、采样率、转换时间等参数决定了其工作的时序和速度。

五、功能描述与操作原理

（一）工作模式

ADC088S102有跟踪（Track）和保持（Hold）两种工作模式。在跟踪模式下，开关SW1将采样电容连接到模拟输入通道，SW2平衡比较器输入；在保持模式下，SW1将采样电容连接到地，保持采样电压，SW2使比较器失衡，控制逻辑通过电荷再分配DAC调整采样电容上的电荷，直到比较器平衡，此时DAC的数字输入即为模拟输入电压的数字表示。

（二）串行接口

通过CS、SCLK、DOUT和DIN引脚实现串行通信。CS下降沿启动串行帧，上升沿结束，每个帧必须包含整数倍的16个SCLK上升沿。DOUT在CS为高电平时处于高阻态，CS为低电平时有效。

六、应用信息与设计要点

（一）典型应用电路

典型应用中，可使用TI LP2950低 dropout电压调节器为模拟和数字电源供电，模拟电源通过电容网络旁路，数字电源与模拟电源通过隔离电阻分离并旁路。为减少输入电容变化带来的误差，可在每个输入引脚到地之间连接电容，并添加隔离电阻。

（二）电源供应考虑

1. 电源顺序：数字电源$V{D}$不能超过模拟电源$V{A}$ 0.3V，$V{A}$应先于或同时于$V{D}$上电。
2. 电源管理：CS为低电平时器件全功率工作，CS为高电平时全功率关闭。连续转换模式下，在转换的第16个SCLK下降沿和下一次转换的第1个SCLK下降沿之间自动进入掉电模式。
3. 电源噪声：为避免数字电源噪声影响模拟电源，可将模拟和数字电源解耦或使用单独的电源，同时尽量减小输出负载电容，若负载电容大于50 pF，可在ADC输出端使用100 Ω串联电阻。

（三）布局与接地

模拟和数字电路应分开布局，时钟线应尽量短并与其他线路隔离，模拟和数字线应尽量避免交叉，建议使用单一均匀的接地平面和分割的电源平面。

七、总结

ADC088S102以其多通道、低功耗、高兼容性等特点，在汽车导航、便携式系统、医疗仪器等众多领域都有着广泛的应用前景。作为电子工程师，在使用该器件时，需要充分了解其特性和规格，合理设计应用电路和布局，以确保其性能的充分发挥。在实际设计过程中，你是否遇到过类似器件的电源管理和布局难题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。