德州仪器ADS1605/6：高性能16位ADC的设计与应用解析

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。德州仪器（TI）的ADS1605和ADS1606作为高性能的16位Delta-Sigma ADC，凭借其卓越的性能和丰富的特性，在科学仪器、自动化测试设备、数据采集和医学成像等众多领域得到了广泛应用。今天，我们就来深入探讨一下这两款ADC的特点、设计要点和应用场景。

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一、产品概述

ADS1605和ADS1606具有16位分辨率，默认数据速率为5MSPS，在2X模式下可提升至10MSPS。它们采用了2 - 1 - 1流水线Delta - Sigma调制器架构，结合低纹波线性相位数字滤波器，实现了出色的信号处理能力。在信号质量方面，信噪比（SNR）高达88dB，总谐波失真（THD）低至 - 99dB，无杂散动态范围（SFDR）达到101dB，能够满足大多数高精度测量的需求。

ADS1606还集成了一个可调节的先进先出（FIFO）缓冲器，为数据输出提供了更大的灵活性。这两款ADC支持内部或外部电压参考，数字输出通过简单的并行接口与数字信号处理器（DSP）轻松连接，并且具备输入范围超限监测功能，确保了系统的稳定性和可靠性。

二、关键特性分析

（一）输入信号处理

ADS1605/6测量差分输入信号$V{IN}=(AINP - AINN)$，并与差分参考电压$V{REF}=(VREFP - VREFN)$进行比较。满量程差分输入电压为1.467$V{REF}$，对于$V{REF}=3V$，满量程输入电压为±4.4V，输入范围非常宽，大大降低了输入信号超限的可能性。不过，为了获得最佳的模拟性能，建议将输入信号限制在±1.165$V{REF}$（ - 2dBFS）以内，对应$V{REF}=3V$时，推荐输入范围为±3.78V。

此外，输入信号的共模电压$V_{CM}=(AINP + AINN)/2$推荐设置为2.0V，对于大于 - 2dBFS的信号，需要适当提高输入共模电压以满足绝对输入电压规格。同时，绝对输入电压（AINP或AINN相对于AGND）的范围也需要严格控制，否则可能会影响线性性能或触发ESD保护二极管。

（二）参考电压设置

ADS1605/6可以使用内部或外部电压参考。使用外部参考时，将REFEN引脚置高，可节省约25mA的模拟电源电流。外部参考电压必须在电气特性表规定的范围内，典型值为$VREFP = 4V$、$VMID = 2.5V$和$VREFN = 1V$。为了获得最佳的模拟性能，建议使用3.0V的外部参考电压。

使用内部参考时，将REFEN引脚置低，此时需要对参考引脚进行良好的旁路处理，以确保性能稳定。内部参考电压的设置和旁路电容的选择对于ADC的性能至关重要，需要特别注意。

（三）时钟输入要求

对于高速数据转换器来说，高质量的时钟源是保证性能的关键。ADS1605/6建议使用晶体时钟振荡器作为CLK源，以避免时钟信号的过度振铃。时钟抖动会影响输入信号采样的准确性，从而限制最大可实现的SNR。不过，ADS1605/6的过采样拓扑结构相比Nyquist速率转换器，将时钟抖动敏感度降低了$8\sqrt{8}$倍。在实际应用中，需要根据输入信号的频率和幅度，控制时钟源的抖动在允许范围内。

（四）数据格式与输出控制

ADS1605/6的16位输出数据采用二进制补码格式。当输入信号超出正或负满量程时，输出OTR引脚将置高，提醒用户输入信号超限。数据检索通过简单的并行接口进行控制，DRDY引脚的下降沿表示新数据可用。为了保证性能，需要注意DOUT总线的负载不能过重，必要时可使用外部缓冲器。

（五）电源管理与功耗优化

ADS1605/6使用+5V模拟电源（AVDD）、+3V数字电源（DVDD）和+2.7 - +5.25V数字I/O电源（IOVDD）。模拟功耗可以通过外部电阻进行调节，在低速运行时可以降低功耗。此外，通过PD引脚可以激活掉电模式，关闭所有电路，进一步节省能源。在使用ADS1606的FIFO功能时，退出掉电模式后需要进行复位操作，并等待参考电压稳定和调制器、数字滤波器 settling后才能获取有效数据。

三、设计要点与注意事项

（一）输入驱动电路设计

为了实现最佳性能，ADS1605/6的输入必须采用差分信号驱动。外部驱动电路需要能够处理内部开关电容的负载，输入开关S1在采样周期内大约有一半时间闭合，因此需要确保内部电容能够在短时间内被充电。建议使用外部电容来改善线性度，并将其尽可能靠近引脚放置。同时，驱动电路的电阻应尽量低，以减少热噪声对整体噪声性能的影响。

（二）PCB布局与布线

在PCB设计中，ADS1605/6的布局和布线至关重要。对于接地平面，可以选择单一公共平面或分别设置模拟地和数字地。如果使用单一公共平面，需要隔离引脚57和引脚1的电流，避免模拟时钟的开关电流干扰安静的模拟地。如果使用两个平面，建议在PCB处将它们连接在一起，避免通过边缘连接器或电缆连接，以免影响性能和增加闩锁的可能性。

此外，关键电容应尽可能靠近引脚放置，输入和参考驱动电路的电阻应保持较低，以防止热噪声影响整体性能。同时，要避免ADS1605/6的数字输出驱动重负载，必要时可在输出端添加缓冲器。

（三）FIFO功能使用

ADS1606的FIFO功能为数据处理提供了更大的灵活性，但在使用时需要注意一些细节。FIFO的深度通过FIFO_LEV[2:0]引脚设置，设置后需要确保每次DRDY引脚翻转时，按照FIFO深度读取相应数量的数据。如果读取数据的数量不符合设置，可能会导致FIFO操作中断，DRDY引脚可能会一直保持低电平。此时，需要通过RESET引脚和RD脉冲进行复位操作，并等待数字滤波器 settling后才能获取有效数据。

（四）2X模式性能分析

2XMODE引脚可以设置过采样率，从而决定ADC的性能。当2XMODE为低电平时，过采样率为8，实现16位性能；当2XMODE为高电平时，过采样率为4，数据速率翻倍至10MSPS，但性能会降为14位。在2X模式下，噪声会增加，典型SNR性能会下降14dB，而THD基本保持不变。因此，在使用2X模式时，需要根据实际需求权衡数据速率和性能。

四、应用案例与接口设计

（一）与TMS320C6000 DSP接口

ADS1605和ADS1606可以直接与TMS320C6000 DSP连接。处理器通过ARE输出控制数据读取，ADS1605通过CE2选择，ADS1606则通过接地CS引脚永久选择。数据准备好信号DRDY驱动DSP的中断引脚，实现数据的及时处理。

（二）与TMS320C5400 DSP接口

在与TMS320C5400 DSP连接时，处理器通过$R/\bar{W}$和$\bar{IS}$输出控制数据读取。ADS1605通过NAND门逻辑进行选择，ADS1606则通过接地CS引脚永久选择。同样，DRDY信号驱动DSP的中断引脚，确保数据的准确采集。

五、总结

德州仪器的ADS1605和ADS1606是两款性能卓越的16位ADC，具有高速、高精度、低噪声等优点。在设计过程中，需要充分考虑输入信号处理、参考电压设置、时钟输入、电源管理等关键因素，同时注意PCB布局、FIFO功能使用和接口设计等细节。通过合理的设计和优化，可以充分发挥这两款ADC的性能，满足不同应用场景的需求。

各位工程师朋友，在使用ADS1605/6的过程中，你们遇到过哪些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享你们的经验和见解。