探索ADC082S101：高性能8位A/D转换器的设计与应用

在电子工程师的日常工作中，模拟 - 数字转换器（ADC）是至关重要的组件，它能将模拟信号转换为数字信号，广泛应用于各种电子设备中。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的ADC082S101这款2通道、500 ksps至1 Msps的8位A/D转换器。

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一、产品概述

ADC082S101是一款低功耗、两通道CMOS 8位模拟 - 数字转换器，具备高速串行接口。与传统仅在单一采样率下规定性能的做法不同，它在500 ksps至1 Msps的采样率范围内都有完整的性能指标。该转换器基于逐次逼近寄存器架构，内置跟踪保持电路，可配置为接受一个或两个输入信号。其输出串行数据为直接二进制格式，与SPI™、QSPI™、MICROWIRE和许多常见的DSP串行接口兼容。

特点

1. 宽采样率范围：在500 ksps至1 Msps的采样率范围内都能稳定工作，为不同应用场景提供了更多选择。
2. 双输入通道：可同时处理两个模拟输入信号，增加了系统的灵活性。
3. 可变电源管理：单电源供电，电压范围为2.7V - 5.25V，能根据实际需求调整电源，降低功耗。

关键规格

参数	典型值	单位
DNL（差分非线性）	±0.10 LSB	-
INL（积分非线性）	± 0.13 LSB	-
SNR（信噪比）	49.6 dB	-
功耗（3V供电）	3.9 mW	-
功耗（5V供电）	11.4 mW	-

应用领域

1. 便携式系统：低功耗特性使其非常适合用于电池供电的便携式设备，如手持仪器、可穿戴设备等。
2. 远程数据采集：能够准确采集远程传感器的模拟信号，并将其转换为数字信号进行传输和处理。
3. 仪器仪表和控制系统：在工业自动化、测试测量等领域，为系统提供高精度的模拟信号转换功能。

二、引脚说明

ADC082S101采用8引脚VSSOP封装，各引脚功能如下：	引脚编号	符号	描述
模拟输入输出
5,4	IN1和IN2	模拟输入，信号范围为0V至VA。
数字输入输出
8	SCLK	数字时钟输入，直接控制转换和读出过程。
7	DOUT	数字数据输出，输出样本在SCLK引脚的下降沿从该引脚输出。
6	DIN	数字数据输入，ADC082S101的控制寄存器通过该引脚在SCLK引脚的上升沿加载数据。
1	CS	芯片选择，CS引脚下降沿触发转换过程，只要CS保持低电平，转换就会持续进行。
电源
2	VA	正电源引脚，应连接到稳定的+2.7V至+5.25V电源，并通过一个1 μF电容和一个0.1 μF单片电容旁路到GND，电容应靠近电源引脚放置。
3	GND	芯片接地引脚。

三、电气特性

静态特性

ADC082S101的分辨率为8位，无丢失码。其积分非线性（INL）典型值为±0.13 LSB，差分非线性（DNL）典型值为±0.10 LSB，偏移误差（VOFF）典型值为+0.53 LSB，通道间偏移误差匹配（OEM）典型值为0.005 LSB，满量程误差（FSE）典型值为0.52 LSB，通道间满量程误差匹配（FSEM）典型值为0.005 LSB。

动态特性

在信号 - 噪声加失真比（SINAD）、信噪比（SNR）、总谐波失真（THD）、无杂散动态范围（SFDR）和有效位数（ENOB）等方面都有出色的表现。例如，SINAD典型值为49.6 dB，SNR典型值为49.6 dB，THD典型值为 - 75 dB，SFDR典型值为67 dB，ENOB典型值为7.9位。

模拟输入特性

输入范围为0至VA，直流泄漏电流（IDCL）最大为±1 μA，输入电容在跟踪模式下典型值为33 pF，保持模式下典型值为3 pF。

数字输入输出特性

数字输入高电压（VIH）在VA = +5.25V时最小值为2.4V，在VA = +3.6V时最小值为2.1V；数字输入低电压（VIL）最大值为0.8V；输入电流（IN）在VIN = 0V或VA时最大为±10 μA；数字输入电容（CIND）最大为4 pF。数字输出高电压（VoH）在ISOURCE = 200 μA时最小值为VA - 0.03V，输出低电压（VoL）在ISOURCE = 1 mA时为VA - 0.1V，在ISINK = 200 μA时最大值为0.4V；三态泄漏电流（loZH, loZ）最大为±1 μA；三态输出电容（CouT）最大为4 pF。

电源特性

电源电压范围为2.7V至5.25V，正常模式下（CS低电平），在VA = +5.25V、采样率为1 Msps、输入频率为40 kHz时，电源电流（IA）最大为2.4 mA；在VA = +3.6V、采样率为1 Msps、输入频率为40 kHz时，电源电流最大为1.2 mA。关机模式下（CS高电平），在VA = +5.25V和VA = +3.6V时，电源电流均为200 nA。正常模式下功耗在VA = +5.25V时最大为12.6 mW，在VA = +3.6V时最大为4.3 mW；关机模式下功耗在VA = +5.25V时为0.35 μW，在VA = +3.6V时为0.12 μW。

四、时序规格

ADC082S101的时序规格对于正确使用该芯片至关重要。例如，SCLK高电平到CS下降沿的建立时间（tcsu）在VA = +3.0V时最小值为10 ns，在VA = +5.0V时最小值为 - 0.5 ns；SCLK低电平到CS下降沿的保持时间（tCLH）在VA = +3.0V时最小值为4.5 ns，在VA = +5.0V时最小值为1.5 ns。数据访问时间（tACC）在VA = +3.0V时最大值为30 ns，在VA = +5.0V时最大值为15 ns。在设计电路时，必须严格遵守这些时序要求，以确保芯片正常工作。

五、工作原理

ADC082S101基于逐次逼近寄存器架构，其工作过程分为跟踪和保持两个模式。在跟踪模式下，开关SW1将采样电容连接到两个模拟输入通道之一，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。控制逻辑指示电荷再分配DAC向采样电容添加固定量的电荷，直到比较器平衡，此时提供给DAC的数字字就是模拟输入电压的数字表示。

六、应用设计要点

模拟输入设计

ADC082S101的模拟输入通道有等效电路，其中二极管D1和D2提供ESD保护，但不能用于钳位输入信号。为了获得最佳性能，应使用低阻抗源驱动ADC，以消除采样电容充电引起的失真，特别是在采样交流信号时。同时，使用带通或低通滤波器可以减少谐波和噪声，提高动态性能。

数字输入输出设计

数字输出DOUT受电源电压VA限制，不能超过该电压。数字输入引脚不易发生闩锁，但不建议在VA之前对SCLK、CS和DIN进行断言。

电源设计

电源电压VA的波动会影响ADC的性能，特别是对SNR和SINAD的影响较大。为了减少电源噪声，应尽量减小输出负载电容。如果负载电容大于50 pF，可在ADC输出端使用一个100 Ω的串联电阻，以限制输出电容的充放电电流，提高噪声性能。

功率管理

通过合理调整采样率和工作模式，可以实现吞吐量和功耗的平衡。在不需要高吞吐量时，可以降低采样率，将ADC置于关机模式，以降低功耗。

七、总结

ADC082S101是一款性能出色的8位A/D转换器，具有宽采样率范围、低功耗、双输入通道等优点，适用于多种应用场景。在设计电路时，需要充分考虑其引脚功能、电气特性、时序规格和工作原理，合理设计模拟输入、数字输入输出和电源部分，以实现最佳性能。同时，通过有效的功率管理，可以在满足系统性能要求的前提下，降低功耗，延长设备的电池续航时间。希望本文能为电子工程师在使用ADC082S101进行设计时提供一些有用的参考。你在使用ADC082S101的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。