ADS8345：高性能16位8通道串行输出采样ADC的深度解析

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个关键环节，关乎着整个系统的数据采集和处理能力。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的一款明星产品——ADS8345，一款16位、8通道串行输出采样的模拟 - 数字转换器（ADC）。

文件下载：ads8345.pdf

一、产品概述

ADS8345是一款具有同步串行接口的8通道、16位采样ADC。它采用单电源供电，电压范围为2.7V至5V，支持8通道单端或4通道差分输入，最高转换速率可达100kHz，SINAD（信纳比）高达85dB。其封装形式有QSOP - 20和SSOP - 20两种，适用于多种应用场景，如数据采集、测试和测量设备、工业过程控制、个人数字助理以及电池供电系统等。

二、产品特性亮点

（一）兼容性与灵活性

ADS8345与ADS7844和ADS8344引脚兼容，这为工程师在进行产品升级或替换时提供了极大的便利，无需对电路板进行大规模的改动。

（二）宽电源电压范围

单电源供电范围为2.7V至5V，使得该芯片能够适应不同的电源环境，无论是电池供电的低功耗设备，还是常规的5V电源系统，都能稳定工作。

（三）多通道输入模式

支持8通道单端或4通道差分输入，满足了不同应用场景下对输入信号的采集需求。在需要采集多个独立信号时，可以选择单端输入模式；而在对信号精度要求较高，需要抑制共模干扰时，则可以采用差分输入模式。

（四）低功耗设计

典型功耗在100kHz吞吐量速率和+5V电源下仅为8mW，并且具备关机模式，可将功耗降低至15µW以下，非常适合电池供电的系统，能够有效延长设备的续航时间。

（五）高转换速率

最高转换速率可达100kHz，能够快速准确地将模拟信号转换为数字信号，满足高速数据采集的需求。

三、电气特性分析

（一）不同电源电压下的性能表现

文档中详细给出了在+5V和+2.7V电源电压下的电气特性参数。以分辨率为例，无论在何种电源电压下，ADS8345都能保证16位的高分辨率，确保了数据采集的精度。在系统性能方面，如积分线性误差、增益误差等参数，也会随着电源电压的变化而有所不同。在+5V电源下，ADS8345E、N型号的积分线性误差最大为±8LSB，而在+2.7V电源下，该误差则变为±6LSB，这表明在较低电源电压下，芯片的线性度表现更加出色。

（二）动态特性

动态特性是衡量ADC性能的重要指标之一。ADS8345在总谐波失真（THD）、信号 - 噪声 + 失真比（SINAD）、无杂散动态范围（SFDR）和通道间隔离度等方面都有着优异的表现。在VIN = 5Vp - p、10kHz的测试条件下，+5V电源时的SINAD可达85dB，SFDR可达98dB，这意味着该芯片能够有效抑制谐波失真和杂散信号，提供高质量的数字输出。

四、工作原理剖析

（一）SAR架构

ADS8345采用经典的逐次逼近寄存器（SAR）架构，基于电容重新分配原理，本身包含采样和保持功能。这种架构具有转换速度快、功耗低的优点，非常适合高速数据采集应用。

（二）外部参考和时钟

芯片需要外部参考电压和外部时钟。外部参考电压范围为500mV至+VCC/2，其值直接决定了转换器的输入范围。外部时钟则用于控制转换过程，时钟速度通过公式fDCLK = 24·fSAMPLE决定转换速率。

（三）模拟输入

模拟输入为双极性且全差分，有单端和差分两种驱动方式。在单端输入时，COM输入保持固定电压，CHX输入围绕该电压摆动，峰 - 峰幅度为2·VREF；在差分输入时，输入幅度为CHX和COM输入的差值，每个输入的峰 - 峰幅度为VREF。在实际应用中，需要注意驱动CHX和COM输入的源的输出阻抗匹配，否则可能会导致偏移误差、增益误差和线性误差。

（四）数字接口

ADS8345具有4线串行接口，与多种微处理器家族兼容。通过控制字节的设置，可以选择输入通道、输入模式（单端或差分）以及电源模式等。控制字节的第一个位（S位）必须为高，用于指示控制字节的开始；接下来的三位（A2 - A0）用于选择输入通道；SGL/DIF位用于控制输入模式；最后两位（PD1 - PD0）用于选择电源模式和时钟模式。

五、时钟模式与数字时序

（一）时钟模式

ADS8345支持外部时钟模式和内部时钟模式。在外部时钟模式下，外部时钟不仅用于数据的移位，还控制A/D转换步骤；在内部时钟模式下，芯片内部生成转换时钟，减轻了微处理器的负担，并且可以在转换完成后以任意时钟速率读取转换结果。

（二）数字时序

文档中详细给出了数字接口的时序规格，包括采集时间、数据有效时间、时钟高电平和低电平时间等参数。这些参数对于确保芯片与微处理器之间的正确通信至关重要，在设计电路时需要严格按照时序要求进行布局和布线。

六、数据格式与噪声处理

（一）数据格式

输出数据采用二进制补码格式，这种格式便于微处理器进行数据处理和运算。文档中给出了理想输入电压与输出代码的对应关系，为工程师进行数据解析提供了参考。

（二）噪声处理

ADS8345本身的噪声地板较低，但在实际应用中，仍然可能会受到输入信号和参考电压噪声的影响。为了降低噪声，可以采用平均法或数字滤波法。对于直流或低频信号，可以通过平均多个转换结果来降低过渡噪声；对于交流信号，则可以使用数字滤波器进行低通滤波和抽取，提高信号 - 噪声比。

七、布局注意事项

为了确保ADS8345的最佳性能，在电路板布局时需要特别注意以下几点：

（一）电源和参考电压

电源和参考电压需要干净且良好地去耦。在芯片附近放置0.1µF的陶瓷旁路电容，以减少电源和参考电压的噪声和纹波。对于噪声较大的电源，可以使用1µF至10µF的电容和5Ω或10Ω的串联电阻进行低通滤波。

（二）接地

GND引脚应连接到干净的接地点，通常为模拟地。避免与微控制器或数字信号处理器的接地点过于接近，必要时可以直接从转换器引出接地走线至电源入口点。理想的布局应包含一个专门用于转换器和相关模拟电路的模拟接地平面。

（三）布线

在布线时，应尽量减少数字信号对模拟信号的干扰。将数字信号线和模拟信号线分开布线，避免交叉和并行。同时，要注意信号线的长度和阻抗匹配，以减少信号反射和衰减。

八、总结

ADS8345是一款功能强大、性能优异的16位8通道串行输出采样ADC。它具有宽电源电压范围、多通道输入模式、低功耗设计、高转换速率等优点，适用于多种应用场景。在使用过程中，工程师需要深入了解其电气特性、工作原理、时钟模式、数字时序、数据格式和噪声处理等方面的知识，并严格按照布局要求进行电路板设计，以充分发挥该芯片的性能优势。你在使用ADS8345的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。