在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵組件。今天要給大家詳細(xì)介紹的是Texas Instruments（TI）推出的ADS8406，一款16位、1.25 MSPS的高性能A/D轉(zhuǎn)換器，它在眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

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一、產(chǎn)品概述

ADS8406是一款帶有內(nèi)部4.096 - V參考的16位、1.25 MHz A/D轉(zhuǎn)換器。它采用了基于電容的16位逐次逼近寄存器（SAR）A/D轉(zhuǎn)換器，具備固有的采樣和保持功能。該器件提供全16位接口和8位選項(xiàng)，其中8位選項(xiàng)可通過兩次8位讀取周期來讀取數(shù)據(jù)。ADS8406采用48引腳TQFP封裝，工作溫度范圍為工業(yè)級(jí)的 - 40°C至85°C。

二、產(chǎn)品特性與優(yōu)勢(shì)

1. 輸入特性

• 偽雙極性、全差分輸入：ADS8406支持 - VREF 到 $V_{REF}$ 的輸入范圍，這種輸入方式能夠有效抑制共模噪聲，提高信號(hào)的抗干擾能力，適用于對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 低輸入電容和泄漏電流：輸入電容僅為 25 pF，輸入泄漏電流最大為 0.5 nA，這使得它對(duì)信號(hào)源的負(fù)載影響較小，能夠更好地與各種信號(hào)源進(jìn)行匹配。

2. 轉(zhuǎn)換性能

• 高分辨率和速度：具備 16 位的分辨率，采樣速率可達(dá) 1.25 MSPS，能夠滿足高速、高分辨率的數(shù)據(jù)采集需求。在 1.25 MSPS 的采樣速率下，其積分非線性（INL）最大為 ±2 LSB，差分非線性（DNL）最大為 - 1/+1.25 LSB，保證了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。
• 出色的動(dòng)態(tài)性能：在 100 kHz 輸入時(shí)，信噪比（SNR）可達(dá) 90 dB，總諧波失真（THD）低至 - 95 dB，能夠有效還原輸入信號(hào)的特征，減少信號(hào)失真。

3. 其他特性

• 內(nèi)部參考：集成了 4.096 V 的內(nèi)部參考，無需外部參考源，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。內(nèi)部參考的啟動(dòng)時(shí)間最大為 120 ms，參考電壓在 IOUT = 0 時(shí)，典型值為 4.096 V，具有較好的穩(wěn)定性。
• 低功耗：在 1.25 MHz 工作頻率下，功耗典型值為 155 mW，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 寬 I/O 電源范圍：I/O 電源范圍為 2.7 V 至 5.25 V，能夠與不同電壓等級(jí)的數(shù)字電路進(jìn)行接口，提高了系統(tǒng)的兼容性。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

ADS8406憑借其出色的性能，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用：

• 密集波分復(fù)用（DWDM）：在DWDM系統(tǒng)中，需要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行高精度的監(jiān)測(cè)和處理。ADS8406的高分辨率和低噪聲特性能夠準(zhǔn)確地采集光信號(hào)的強(qiáng)度和波長(zhǎng)等信息，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。
• 儀器儀表：在各種儀器儀表中，如示波器、頻譜分析儀等，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行高速、高精度的轉(zhuǎn)換。ADS8406的高速采樣速率和高分辨率能夠滿足這些儀器對(duì)信號(hào)采集的要求，提高儀器的測(cè)量精度和性能。
• 高速、高分辨率、零延遲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：對(duì)于需要實(shí)時(shí)采集和處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，如雷達(dá)、通信等領(lǐng)域，ADS8406的零延遲特性能夠確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，高分辨率能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
• 傳感器接口：在傳感器接口電路中，需要將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。ADS8406的偽雙極性、全差分輸入能夠有效抑制傳感器信號(hào)中的共模噪聲，提高信號(hào)的質(zhì)量。
• 醫(yī)療儀器通信：在醫(yī)療儀器中，如心電圖儀、血糖儀等，需要對(duì)生物電信號(hào)進(jìn)行高精度的采集和處理。ADS8406的低功耗和高分辨率特性能夠滿足醫(yī)療儀器對(duì)功耗和精度的要求，為醫(yī)療診斷提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

四、工作原理

1. 轉(zhuǎn)換原理

ADS8406采用逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)，基于電荷再分配原理工作，本身集成了采樣/保持功能。當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，模擬輸入信號(hào)在內(nèi)部電容陣列上進(jìn)行采樣。轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生，控制轉(zhuǎn)換速率和吞吐量。在 650 ns 的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn) 1.25 MHz 的吞吐量。

2. 參考電壓

ADS8406既可以使用外部參考電壓（范圍為 2.5 V 至 4.2 V），也內(nèi)置了 4.096 V 的內(nèi)部參考。使用內(nèi)部參考時(shí)，需在 REFOUT 引腳和 REFIN 引腳之間連接 0.1 - μF 的去耦電容，并在 REFOUT 引腳與 REFM 引腳之間連接 1 - μF 的存儲(chǔ)電容。轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部參考采用雙緩沖設(shè)計(jì)，若使用外部參考，第二級(jí)緩沖可隔離外部參考與電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器（CDAC），并在轉(zhuǎn)換期間為 CDAC 的所有電容充電。

3. 模擬輸入

在進(jìn)入保持模式時(shí)，+IN 和 - IN 輸入之間的電壓差會(huì)被內(nèi)部電容陣列捕獲。兩個(gè)輸入的電壓范圍為 - 0.2 V 至 $V{ref }+0.2 ~V$，輸入跨度（+IN - (-IN)）限制在 - Vref 至 $V{ref }$。模擬輸入電流受采樣率、輸入電壓和源阻抗等因素影響。在采樣期間，流入 ADS8406 的電流為內(nèi)部電容陣列充電，電容充滿后不再有輸入電流。模擬輸入電壓源需在 150 ns 的采集時(shí)間內(nèi)將 25 pF 的輸入電容充電至 16 位的穩(wěn)定電平。進(jìn)入保持模式后，輸入阻抗大于 1 GΩ。

4. 數(shù)字接口

時(shí)序與控制

ADS8406使用內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘控制轉(zhuǎn)換速率和吞吐量，無需外部時(shí)鐘輸入。當(dāng) CS 為低電平時(shí)，將 CONVST 引腳拉低至少 20 ns 可啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。CONVST 信號(hào)的下降沿使 ADS8406 從采樣模式切換到保持模式，該信號(hào)的干凈、低抖動(dòng)下降沿對(duì)轉(zhuǎn)換器性能至關(guān)重要。CONVST 變低后，BUSY 輸出變高，轉(zhuǎn)換過程中保持高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后變低。當(dāng) CS 保持低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束后立即開始采樣；當(dāng) BUSY 為低電平時(shí)，CS 的下降沿啟動(dòng)采樣。在轉(zhuǎn)換期間和之前，RD 和 CS 可以都為高電平，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí) CS 必須為低電平。將 RD 和 CS 都拉低可使能并行輸出總線輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

數(shù)據(jù)讀取

ADS8406以二進(jìn)制補(bǔ)碼格式輸出全并行數(shù)據(jù)。當(dāng) CS 和 RD 都為低電平時(shí)，并行輸出有效。在 CONVST 下降沿前后有一個(gè)最小安靜區(qū)，下降沿前 50 ns 和下降沿后 40 ns 內(nèi)不應(yīng)嘗試讀取數(shù)據(jù)。其他 CS 和 RD 的組合會(huì)使并行輸出處于三態(tài)。BYTE 引腳用于多字讀取操作，當(dāng) BYTE 為高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器結(jié)果的低字節(jié)會(huì)出現(xiàn)在總線的高字節(jié)上。若 BYTE 為低電平，輸出數(shù)據(jù)是 DB15 - DB0 引腳上的完整 16 位字（D15 - D0）；也可通過 8 位總線讀取結(jié)果，分兩次讀取，第一次 BYTE 為低電平，讀取 DB15 - DB8 上的 8 個(gè)最高有效位，第二次 BYTE 為高電平，DB15 - DB8 上出現(xiàn)低字節(jié)（D7 - D0）。多字讀取操作可以通過多次切換 RD 或?qū)?RD 固定為低電平來實(shí)現(xiàn)。

五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1. 復(fù)位操作

RESET 是異步低電平有效輸入信號(hào)，獨(dú)立于 CS 工作。RESET 低電平的最小時(shí)間為 25 ns，進(jìn)入復(fù)位模式后，當(dāng)前轉(zhuǎn)換將在不超過 50 ns 內(nèi)中止，復(fù)位后所有輸出鎖存器清零。RESET 輸入變高后，轉(zhuǎn)換器在不超過 20 ns 內(nèi)恢復(fù)正常工作模式。復(fù)位后 20 ns 開始第一個(gè)采樣周期，除復(fù)位后的第一個(gè)采樣周期外，其他采樣周期由前一個(gè) BUSY 信號(hào)的下降沿或 CS 的下降沿觸發(fā)，取較晚的時(shí)刻。也可以通過 CS 和 CONVST 的組合來復(fù)位設(shè)備，在轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng) CS 為低電平時(shí)發(fā)出 CONVST 信號(hào)，或在轉(zhuǎn)換過程中發(fā)出 CS 信號(hào)，其下降沿需滿足時(shí)序參數(shù) $t_{su(AB)}$ 的要求，以確保復(fù)位。

2. 上電初始化

上電后無需手動(dòng)復(fù)位，內(nèi)部上電復(fù)位電路會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。為確保所有寄存器清零，上電后需給轉(zhuǎn)換器三個(gè)轉(zhuǎn)換周期。

3. 布局設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)最佳性能，需精心設(shè)計(jì) ADS8406 電路的物理布局。由于該轉(zhuǎn)換器為單電源工作，常與數(shù)字邏輯、微控制器、微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器緊密相鄰。設(shè)計(jì)中數(shù)字邏輯越多、開關(guān)速度越高，越難實(shí)現(xiàn)良好的轉(zhuǎn)換性能。基本的 SAR 架構(gòu)對(duì)電源、參考、接地連接和數(shù)字輸入上的毛刺或突然變化敏感，這些變化可能影響模擬比較器輸出的鎖存。因此，在驅(qū)動(dòng) n 位 SAR 轉(zhuǎn)換器的單次轉(zhuǎn)換時(shí)，至少有 n 個(gè)窗口，外部大的瞬態(tài)電壓可能影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。這些毛刺可能來自開關(guān)電源、附近的數(shù)字邏輯或高功率設(shè)備。數(shù)字輸出的誤差程度取決于參考電壓、布局和外部事件的精確時(shí)序。

ADS8406 從外部參考吸取的電流很小，因?yàn)閰⒖茧妷涸趦?nèi)部進(jìn)行了緩沖。若使用外部參考且來自運(yùn)算放大器，要確保其能驅(qū)動(dòng)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 0.1 - μF 的旁路電容和 1 - μF 的存儲(chǔ)電容，REFM 和 AGND 應(yīng)在器件下方的同一接地平面上短接。AGND 和 BDGND 引腳應(yīng)連接到干凈的接地點(diǎn)，通常為模擬地，避免靠近微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器的接地點(diǎn)。如有需要，可從轉(zhuǎn)換器直接引出接地走線連接到電源入口點(diǎn)。理想的布局是為轉(zhuǎn)換器和相關(guān)模擬電路設(shè)置專用的模擬接地平面。

+VA 應(yīng)連接到 5 - V 電源平面或走線，該走線與數(shù)字邏輯的連接分開，直到電源入口點(diǎn)再連接。為 ADS8406 供電的電源應(yīng)干凈且有良好的旁路。應(yīng)在盡可能靠近器件的位置放置 0.1 - μF 的陶瓷旁路電容，還建議使用 1 - μF 至 10 - μF 的電容。在某些情況下，可能需要額外的旁路措施，如 100 - μF 的電解電容或由電感和電容組成的 Pi 濾波器，以對(duì) 5 - V 電源進(jìn)行低通濾波，去除高頻噪聲。

六、總結(jié)

ADS8406 是一款性能出色的 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有高分辨率、高速采樣、低功耗、寬輸入范圍等優(yōu)點(diǎn)，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。在使用過程中，需要根據(jù)其工作原理和特性，合理設(shè)計(jì)電路布局和時(shí)序控制，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在復(fù)位、上電初始化等操作中，要嚴(yán)格按照要求進(jìn)行，確保轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定運(yùn)行。你在使用 ADS8406 或其他 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)，遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。