在電子工程師的日常工作中，模數轉換器（ADC）是不可或缺的重要組件。今天，我們就來深入探討德州儀器（TI）的一款高性能16位250-KSPS采樣CMOS模數轉換器——ADS8505。

文件下載：ads8505.pdf

一、產品概述

ADS8505采用了先進的CMOS結構，是一款功能完備的16位采樣A/D轉換器。它集成了16位基于電容的逐次逼近寄存器（SAR）A/D轉換器，還配備了采樣保持（S/H）電路、參考源、時鐘、微處理器接口以及三態輸出驅動器。該轉換器具有單5V電源供電、與ADS7805（低速）和12位ADS8504/7804引腳兼容等特點，可使用內部或外部參考源。

二、產品特性亮點

（一）高精度特性

1. 高線性度：ADS8505在250-kHz采樣率下具有出色的無雜散動態范圍（SFDR），可達105dB。其最大積分非線性（INL）為±1.5 LSB，最大微分非線性（DNL）為±1 LSB，且16位無失碼，確保了轉換的高精度。
2. 低誤差：最大雙極性零誤差為±2 mV，且具有±0.4 PPM/°C的漂移；滿量程誤差最大為±0.1% FSR，漂移為±2 PPM/°C，保證了在不同溫度環境下的穩定性能。

（二）其他特性

1. 寬輸入范圍：提供標準的±10-V輸入范圍，能滿足多種工業應用需求。
2. 低功耗：在250 KSPS采樣率下，典型功耗僅為70 mW，最大功耗不超過100 mW，適合對功耗有嚴格要求的應用場景。
3. 多種封裝形式：有28引腳的SSOP和SOIC封裝可供選擇，且兩種封裝都能在工業級-40°C至85°C溫度范圍內穩定工作。

三、應用領域廣泛

ADS8505憑借其高精度和高性能，在多個領域都有廣泛的應用：

1. 工業過程控制：可用于精確采集工業生產過程中的各種模擬信號，實現對生產過程的精準控制。
2. 數據采集系統：能夠高效、準確地將模擬信號轉換為數字信號，為后續的數據處理提供可靠支持。
3. 數字信號處理：為數字信號處理系統提供高質量的輸入數據，提升系統的處理效果。
4. 醫療設備：在醫療設備中，對信號的精度和穩定性要求極高，ADS8505的高性能能夠滿足這些需求，確保醫療設備的準確性和可靠性。
5. 儀器儀表：可用于各類儀器儀表中，提高測量的精度和可靠性。

四、電氣特性詳解

（一）分辨率與輸入特性

ADS8505具有16位分辨率，模擬輸入電壓范圍為±10 V，輸入阻抗為11.5 kΩ，電容為50 pF。這些特性確保了它能夠準確地采集模擬信號。

（二）直流精度

在直流精度方面，INL最大為±1.5 LSB，DNL最大為±1 LSB，無失碼位數可達16位。過渡噪聲典型值為0.77 LSB，滿量程誤差和雙極性零誤差也都在較小范圍內，且具有較低的漂移。

（三）交流精度

交流精度表現同樣出色，SFDR在20 kHz時可達105 dB，總諧波失真（THD）低至 -103 dB，信納比（SINAD）可達88 dB，信號與（噪聲 + 失真）比在 -60-dB輸入時可達32 dB，信噪比（SNR）在20 kHz時可達88 dB。

（四）其他特性

轉換周期為4個TTS，吞吐量速率為250 kHz，孔徑延遲為5 ns，瞬態響應為2個TTS，過壓恢復時間為150 ns。內部參考電壓為2.5 V，參考源電流為1 μA，參考漂移為8 ppm/°C。

五、基本操作與使用要點

（一）啟動轉換

將 $\overline{CS}$（引腳25）和R/C（引腳24）同時拉低至少40 ns，即可使ADS8505的采樣/保持進入保持狀態并啟動轉換。BUSY（引腳26）會拉低，直到轉換完成且內部輸出寄存器更新后才會變高。在BUSY為低電平時，所有新的轉換命令都會中止當前正在進行的轉換并重置ADC。

（二 ）讀取數據

ADS8505以二進制補碼格式輸出全并行或字節讀取的16位數據。當R/C（引腳24）為高電平且 $\overline{CS}$（引腳25）為低電平時，并行輸出有效。可以通過切換BYTE（引腳23）來讀取一個轉換周期內的兩個字節數據。

（三）ADC復位

當BUSY為低電平時，將R/C拉低至少40 ns可啟動ADC復位。要啟動新的轉換，R/C必須回到高電平，并保持足夠長的時間以采集新的樣本，然后再拉低以啟動下一個轉換序列。

（四）輸入范圍

ADS8505提供標準的±10-V輸入范圍。輸入信號必須參考AGND1，且應由低阻抗源驅動，以減少接地環路問題。輸入電阻分壓器網絡提供了至少±25 V的過壓保護。

六、校準與參考源設置

（一）校準方式

ADS8505可以通過硬件或軟件進行校準。由于偏移會直接影響增益，所以應先校準偏移，再校準增益。為達到最佳性能，可能需要多次迭代。

1. 硬件校準：按照圖28(a)所示安裝適當的電阻和電位器，即可對ADS8505的偏移和增益進行校準。
2. 軟件校準：在軟件中校準偏移和增益時，不需要外部電阻。
3. 無校準情況：某些應用中，圖28(b)所示的外部電阻可能并非必需。這些電阻用于補償內部偏移和增益調整，以便使用單電源進行校準。

（二）參考源

ADS8505可使用內部2.5-V參考源或外部參考源。通過向引腳5施加外部參考源，可繞過內部參考源。REF引腳（引腳3）是外部參考源的輸入或內部2.5-V參考源的輸出，應盡可能靠近該引腳連接一個2.2-μF電容，以減少參考源上的噪聲。

七、布局與信號處理建議

（一）電源布局

為實現最佳性能，應將模擬和數字電源引腳連接到同一個+5-V電源，并將模擬和數字接地連接在一起。ADS8505的大部分功率（約90%）用于模擬電路，因此應將其視為模擬組件。A/D的+5-V電源應與系統數字邏輯的+5 V電源分開，以避免數字邏輯的開關噪聲影響轉換器性能。

（二）接地布局

ADS8505有三個接地引腳：DGND是數字電源接地，AGND2是模擬電源接地，AGND1是A/D內部所有模擬信號的參考接地。為獲得最佳性能，應將A/D的所有接地引腳連接到模擬接地平面，并與系統的數字邏輯接地分開。

（三）信號調理

ADS8505的采樣/保持FET開關釋放的電荷注入僅為其他CMOS A/D轉換器的5% - 10%，且具有電阻前端，可衰減釋放的電荷。因此，前端抗混疊濾波器的要求較低，任何適用于應用信號的運算放大器都可用于驅動ADS8505。

（四）中間鎖存器

雖然ADS8505的并行端口具有三態輸出，但在轉換期間如果總線需要保持活躍，建議使用中間鎖存器。這是因為即使A/D處于三態，并行端口上快速開關信號的瞬態也可能通過襯底耦合到模擬電路，導致轉換器性能下降。

八、總結

ADS8505以其高精度、低功耗、寬輸入范圍等優勢，在工業過程控制、數據采集、醫療設備等多個領域展現出了強大的應用潛力。作為電子工程師，我們在設計過程中，需要充分理解其特性和使用要點，合理進行布局和信號處理，以發揮出該轉換器的最佳性能。大家在使用ADS8505的過程中，有沒有遇到過什么特別的問題或者有什么獨特的使用經驗呢？歡迎在評論區分享交流。