ADS1271：24位宽带宽模数转换器的深度剖析

在电子设计领域，模数转换器（ADC）的性能直接影响着整个系统的精度和稳定性。今天我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的ADS1271，一款24位的delta - sigma ADC，它在DC精度和AC性能方面都有着出色的表现。

文件下载：ads1271.pdf

一、ADS1271概述

ADS1271是一款集卓越DC精度与优异AC性能于一身的24位delta - sigma ADC。它由一个先进的6阶斩波稳定delta - sigma调制器和一个低纹波线性相位FIR滤波器组成。调制器用于测量差分输入信号$V{IN}=(AINP - AINN)$ 与差分参考$V{REF}=(VREFP - VREFN)$ ，数字滤波器则接收调制器信号并提供低噪声数字输出。

为了在速度、分辨率和功耗之间进行权衡，ADS1271支持三种工作模式：高速模式、高分辨率模式和低功耗模式。不同模式下的性能总结如下：	模式	数据速率 (SPS)	通带 (Hz)	SNR (dB)	噪声 (uVRMS)	功耗 (mW)
高速模式	105,469	47,777	106	9.0	92
高分辨率模式	52,734	23,889	109	6.5	90
低功耗模式	52,734	23,889	106	9.0	35

二、关键特性分析

2.1 电气特性

ADS1271的电气特性涵盖了模拟输入、电压参考输入、数字输入/输出等多个方面。

• 模拟输入：测量差分输入信号$V_{IN}=(AINP - AINN)$ ，绝对输入电压范围为$AGND - 0.1V$ 到$AVDD + 0.1V$ ，共模输入电压为2.5V。不同模式下的差分输入阻抗有所不同，高速和高分辨率模式为16.4kΩ，低功耗模式为32.8kΩ。
• 电压参考输入：参考输入电压$V_{REF}=(VREFP - VREFN)$ 范围为2.0V到2.65V，不同模式下的参考输入阻抗也不同，高速和高分辨率模式为4.2kΩ，低功耗模式为8.4kΩ。
• 数字输入/输出：数字输入的高电平阈值$V{IH}$ 为0.7DVDD到DVDD，低电平阈值$V{IL}$ 为DGND到0.3DVDD；数字输出的高电平$V{OH}$ 为0.8DVDD到DVDD，低电平$V{OL}$ 为DGND到0.2DVDD。

2.2 工作模式选择

通过MODE引脚可以选择不同的工作模式：	MODE引脚状态	模式选择
逻辑低 (DGND)	高速模式
浮空 (负载$C < 100 pF$ ，$R > 10 MΩ$ )	高分辨率模式
逻辑高 (DVDD)	低功耗模式

需要注意的是，改变模式会清除内部偏移校准值，如果使用板载偏移校准，模式改变后需要重新校准。

2.3 串行接口

为了方便与微控制器或DSP连接，ADS1271提供了两种串行接口格式：SPI和Frame - Sync。

• SPI格式：是一种简单的只读接口，数据准备好后由DRDY输出指示，并在SCLK的下降沿以MSB优先的方式移出。
• Frame - Sync格式：类似于音频ADC常用的接口，用户需要提供帧同步信号FSYNC和串行时钟SCLK，数据以MSB优先或左对齐的方式输出。

三、应用注意事项

3.1 电源供应

ADS1271需要两个电源：DVDD（1.65V - 3.6V）和AVDD（4.75V - 5.25V），最佳性能时$DVDD = 1.8V$ 。对于两个电源，建议使用靠近器件引脚的10µF钽电容和0.1µF陶瓷电容进行旁路，或者使用单个10µF陶瓷电容。电源应尽量减少噪声，避免与产生电压尖峰的设备共享。

3.2 接地平面

可以使用连接AGND和DGND引脚的单个接地平面，如果使用单独的数字和模拟接地，应在转换器处将它们连接在一起。

3.3 数字输入

建议使用50Ω串联电阻对数字输入进行源端匹配，电阻应靠近数字源的驱动端放置，以减少数字线路上的振铃。

3.4 模拟/数字电路布局

模拟电路（输入缓冲器、参考）和相关走线应集中放置，并远离数字电路（DSP、微控制器、逻辑），避免数字走线跨越模拟走线，以减少噪声耦合和串扰。

3.5 参考输入

建议在参考输入VREFP和VREFN之间直接使用10µF钽电容和0.1µF陶瓷电容，参考输入应由低阻抗源驱动，最佳参考的宽带噪声应小于3µVRMS，对于噪声较高的参考，可能需要外部参考滤波。

3.6 模拟输入

模拟输入引脚必须进行差分驱动，可使用真正的差分驱动器或变压器（AC应用）。模拟输入走线（AINP、AINN）应作为一对从缓冲器到转换器进行短而直接的布线，并远离数字走线。在模拟输入引脚之间直接使用1nF - 10nF电容，每个模拟输入到地的电容应不大于差分电容的1/10（通常为100pF），以保持AC共模性能。

四、总结

ADS1271凭借其出色的DC和AC性能、灵活的工作模式以及方便的串行接口，成为了工业测量、振动/模态分析、声学等领域的理想选择。在设计过程中，严格遵循应用注意事项，合理布局电路和选择外部元件，能够充分发挥ADS1271的性能优势，为系统的高精度和稳定性提供保障。各位工程师在实际应用中，不妨根据具体需求深入挖掘ADS1271的潜力，你是否在使用类似的ADC时遇到过一些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。