在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度、高速的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）一直是工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。今天，我們就來深入探討一款來自德州儀器（TI）的優(yōu)秀產(chǎn)品——ADS8381，它在醫(yī)療儀器、光網(wǎng)絡(luò)傳感器接口以及高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

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一、ADS8381的關(guān)鍵特性

高性能指標(biāo)

• 采樣率與分辨率：ADS8381具備580-kHz的采樣率，能夠快速捕捉模擬信號的變化。同時(shí)，它保證了18位的分辨率，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都能提供高精度的轉(zhuǎn)換結(jié)果，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
• 低功耗設(shè)計(jì)：在580 kHz的采樣率下，功耗僅為115 mW，這種低功耗特性使得它在對功耗敏感的應(yīng)用場景中表現(xiàn)出色，能夠有效延長設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。
• 零延遲特性：該轉(zhuǎn)換器具有零延遲的特點(diǎn)，這意味著它能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)輸入信號的變化，對于需要快速處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)來說非常重要。

靈活的接口與設(shè)計(jì)

• 輸入范圍與參考：ADS8381采用單極性輸入范圍，板載參考緩沖器和轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，參考緩沖器的電源范圍為2.7 V至5.25 V，為設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。
• 并行接口：它支持8位、16位和18位的并行接口，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的接口方式，方便與不同的微控制器或其他數(shù)字設(shè)備進(jìn)行連接。
• 引腳兼容性：ADS8381與ADS8383引腳兼容，這使得在進(jìn)行產(chǎn)品升級或替換時(shí)更加方便，減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

二、技術(shù)規(guī)格詳解

模擬輸入特性

• 輸入電壓范圍：理想輸入跨度為0 V至Vref，絕對輸入電壓方面，+IN的范圍是 -0.2 Vref + 0.2 V，-IN的范圍是 -0.2 V至0.2 V。輸入電容為45 pF，輸入泄漏電流最大為1 nA。
• 分辨率與線性度：分辨率為18位，ADS8381IB保證18位無丟失碼，ADS83811為17位無丟失碼。積分線性度和差分線性度在不同條件下都有相應(yīng)的規(guī)格要求，確保了轉(zhuǎn)換器的線性性能。
• 誤差指標(biāo)：偏移誤差在 -0.75 mV至 +0.25 mV之間，增益誤差在 -0.1%FS至 +0.1%FS之間，噪聲為60 μV RMS，電源抑制比在特定輸出代碼下為75 dB。

采樣動態(tài)特性

• 轉(zhuǎn)換與采集時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間為1.4 μs，采集時(shí)間為0.3 μs，能夠快速完成模擬信號的采樣和轉(zhuǎn)換過程。
• 其他動態(tài)指標(biāo)：吞吐量速率為580 kHz，孔徑延遲為4 ns，孔徑抖動為15 ps，階躍響應(yīng)和過電壓恢復(fù)時(shí)間均為150 ns。

動態(tài)特性

• 諧波與噪聲指標(biāo)：在不同輸入頻率下，總諧波失真（THD）、信噪比（SNR）、信噪失真比（SINAD）和無雜散動態(tài)范圍（SFDR）都有相應(yīng)的規(guī)格。例如，在1 kHz輸入頻率下，THD為 -112 dB，SNR為88 dB。
• 帶寬與參考輸入：-3 dB小信號帶寬為3 MHz，參考電壓輸入范圍為2.5 V至4.2 V，參考電阻為500 kΩ，參考電流消耗為1 mA。

數(shù)字輸入/輸出與電源要求

• 數(shù)字特性：邏輯家族為CMOS，邏輯電平、輸出電壓和數(shù)據(jù)格式都有明確的規(guī)格。數(shù)據(jù)格式為直二進(jìn)制，方便數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理。
• 電源要求：+VBD緩沖電源電壓范圍為2.7 V至5.25 V，+VA模擬電源電壓范圍為4.75 V至5.25 V。在580-kHz采樣率下，電源電流為23 mA至26 mA，功耗為115 mW至130 mW。

三、工作原理與應(yīng)用要點(diǎn)

工作原理

ADS8381是一款基于電荷再分配的高速逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其架構(gòu)本身包含了采樣/保持功能。轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由內(nèi)部生成，1.4 μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間能夠支持580-kHz的吞吐量。當(dāng)啟動轉(zhuǎn)換時(shí)，內(nèi)部電容陣列會對+IN和 -IN引腳的差分輸入進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換過程中，兩個(gè)輸入與內(nèi)部功能斷開連接。

參考設(shè)計(jì)

該轉(zhuǎn)換器可以使用2.5 V至4.2 V的外部參考電壓，REFIN引腳的參考電壓會在內(nèi)部進(jìn)行緩沖。為了確保轉(zhuǎn)換器的良好性能，需要在該引腳提供干凈、低噪聲、去耦良好的參考電壓。可以使用低噪聲帶隙參考（如REF3040）來驅(qū)動該引腳，并在引腳1和引腳48之間連接一個(gè)0.1-μF的去耦電容，且該電容應(yīng)盡量靠近器件引腳。此外，還可以使用RC網(wǎng)絡(luò)對參考電壓進(jìn)行濾波。

模擬輸入設(shè)計(jì)

• 輸入范圍與電流：當(dāng)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入保持模式時(shí)，內(nèi)部電容陣列會捕捉+IN和 -IN輸入之間的電壓差。-IN輸入電壓限制在 -0.2 V至0.2 V之間，+IN輸入范圍為 -0.2 V至Vref + 0.2 V，輸入跨度限制在0 V至Vref。模擬輸入電流取決于采樣率、輸入電壓和源阻抗等因素，在采樣期間，電流會對內(nèi)部電容陣列進(jìn)行充電。
• 輸入驅(qū)動與濾波：為了保證轉(zhuǎn)換器的性能，需要使用低噪聲、高速的運(yùn)算放大器（如THS4031）來驅(qū)動模擬輸入。同時(shí)，建議在輸入引腳使用RC濾波器對源噪聲進(jìn)行低通濾波，推薦使用15 Ω的串聯(lián)電阻和1.2 nF的去耦電容。

數(shù)字接口設(shè)計(jì)

• 時(shí)序與控制：ADS8381使用內(nèi)部振蕩器生成的時(shí)鐘來控制轉(zhuǎn)換速率和吞吐量，無需外部時(shí)鐘輸入。轉(zhuǎn)換通過將CONVST引腳拉低至少40 ns（滿足要求后可拉高）來啟動，同時(shí)CS引腳需為低電平。BUSY輸出在CONVST拉低后立即變?yōu)楦唠娖剑D(zhuǎn)換過程中保持高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后變?yōu)榈碗娖健?/li>
• 數(shù)字輸入注意事項(xiàng)：CONVST輸入引腳的下降沿應(yīng)干凈且抖動小，下降時(shí)間在10 ns至30 ns之間，可通過在該引腳串聯(lián)一個(gè)約1000 Ω（10%公差）的電阻來滿足要求。其他數(shù)字輸入雖然不需要串聯(lián)電阻，但為了確保轉(zhuǎn)換器性能，建議在轉(zhuǎn)換周期的前600 ns內(nèi)完成輸入引腳的所有活動。
• 數(shù)據(jù)讀取：ADS8381以直二進(jìn)制格式輸出全并行數(shù)據(jù)，當(dāng)CS和RD都為低電平時(shí)，并行輸出有效。BYTE和BUS18/16用于多字讀取操作，可根據(jù)需要選擇8位、16位或18位的讀取方式。

復(fù)位與初始化

• 復(fù)位操作：可以通過CS和CONVST的組合來復(fù)位設(shè)備。當(dāng)CS為低電平且內(nèi)部CONVERT狀態(tài)為高電平時(shí)，CONVST的下降沿會啟動復(fù)位；或者當(dāng)內(nèi)部CONVERT狀態(tài)為高電平時(shí)，CS的下降沿也會導(dǎo)致復(fù)位。復(fù)位后，所有輸出鎖存器清零，BUSY信號變?yōu)榈碗娖?，隨后在BUSY信號的下降沿開始新的采樣周期。
• 初始化要求：首次上電時(shí)需要進(jìn)行三次讀取周期（RD必須切換三次），否則前三個(gè)轉(zhuǎn)換周期的結(jié)果可能無效。這是為了加載特定設(shè)備的工廠校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以確保轉(zhuǎn)換器的高精度。

布局設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)ADS8381的最佳性能，需要注意其電路的物理布局。由于它通常與數(shù)字邏輯、微控制器等設(shè)備緊密配合使用，而SAR架構(gòu)對電源、參考、接地連接和數(shù)字輸入的毛刺或突然變化較為敏感，因此在布局時(shí)需要采取以下措施：

• 參考電壓布局：ADS8381從外部參考吸取的電流很小，但如果參考電壓來自運(yùn)算放大器，要確保其能夠驅(qū)動旁路電容而不產(chǎn)生振蕩。建議在引腳1（REFIN）和引腳48（REFM）之間直接連接一個(gè)0.1-μF的旁路電容，并將REFM和AGND在器件下方的同一接地平面上短接。
• 接地設(shè)計(jì)：AGND和BDGND引腳應(yīng)連接到干凈的接地端，最好是模擬接地。避免與微控制器或數(shù)字信號處理器的接地點(diǎn)過于接近，必要時(shí)可直接從轉(zhuǎn)換器連接一條接地走線到電源入口點(diǎn)。理想的布局是為轉(zhuǎn)換器和相關(guān)模擬電路設(shè)置一個(gè)專用的模擬接地平面。
• 電源布局：+VA應(yīng)連接到一個(gè)與數(shù)字邏輯連接分開的5-V電源平面或走線，直到在電源入口點(diǎn)連接。為ADS8381供電的電源應(yīng)干凈且經(jīng)過良好的去耦處理，建議在靠近器件的位置放置一個(gè)0.1-μF的陶瓷旁路電容，同時(shí)還可使用1-μF至10-μF的電容。在某些情況下，可能需要額外的去耦措施，如100-μF的電解電容或由電感和電容組成的Pi濾波器，以去除5-V電源中的高頻噪聲。

四、總結(jié)

ADS8381是一款性能卓越的18位、580-KHz微功耗采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它在高精度、低功耗、靈活性等方面都有著出色的表現(xiàn)。通過對其技術(shù)規(guī)格、工作原理和應(yīng)用要點(diǎn)的深入了解，工程師們可以更好地將其應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中。在設(shè)計(jì)過程中，要特別注意參考電壓、模擬輸入、數(shù)字接口、復(fù)位初始化以及布局等方面的設(shè)計(jì)，以確保ADS8381能夠發(fā)揮出最佳性能。希望本文能夠?yàn)?a href="http://m.brongaenegriffin.com/v/tag/125/" target="_blank">電子工程師們在使用ADS8381進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。

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