超低功耗的16位1M SPS模拟数字转换器

德州仪器的两款模拟数字转换器(ADc)ADS8329及ADS8330，独特地结合了低功耗，高速及高效能的特性。此一组合使得这两款模拟数字转换器成为许多应用的理想选择，例如通信、医疗仪器、自动测试设备、数据撷取系统(dataacqul sltion system)或工业过程控制(industiralprocess control)。在本文中，德州仪器ADC马达控制设计经理Frank Ohnhuser概略解说这两款转换器的效能，并且说明其中有助于发挥这些效能的关键要素。

ADS8329及ADS8330属于同一装置系列，是500kSPS ADS8327及ADS8328的延伸产品。这些产品的接脚完全都能兼容，并提供基于逐次逼近寄存器(SAR)的ADC。ADS8327及ADS8329都是单信道装置，而ADS8328及ADS8330则为双信道装置。设计人员可用内部频率来计算转换的时间，但是也能够使用串行接口的外部频率对转换器进行程序设计。程序设计及数据传输都是透过高速串行接口来执行。

如果正在使用内部频率进行转换，则应该关闭外部频率。异步频率信号通常会引起基板(substrate)失真，此时只有两种选择。如果ADC以内部频率运作，便应该在转换之后再进行数据的读取。在数据传输完成以前，不应启动新的转换。如果该零件以外部频率运作，便能够在下一次转换期间读取数据。外部频率会以两倍的转换频率运作，以确保运作中的转换在进行输出数据的覆写前，数据的传输得以完成。

透过串行接口能够以程序设计的方式设定几项额外功能，其中一项是双信道产品的信道选择。如此就有自动启动功能可供使用，也就可以在前一次转换完成后自动启动转换起始信号(cONVST)的4个转换频率周期。若运用链接模式(chain mode)，将可透过一个串行接口读取多个同步取样ADC的数据。其他可供使用的功能可见于数据表中。

此转换器系列都经过低功耗方面的优化，因此可提供多种降低功耗的功能。在缓慢的内部信号维持通电，并且快速(300ns)恢复的区块已关闭的情况下，可实行NAP模式。这可将2.7V供电电压的电流消耗从5mA降低至0.25mA，并且将5V供电电压的电流消耗从7mA降低至0.3mA。透过串行接口或启动CONVST信号可唤醒ADC。在正常运作状态下，CONVST信号将会立即冻结输入电压，并开始进行转换。在NAP模式下，ADC会先被唤醒，同时数据在6个频率周期以后自动冻结。

若要将功耗降至最低，可以将转换器切至AUTONAP模式，一旦转换完成，转换器便会自动降低电流消耗。此时CONVST信号即可用于唤醒ADC并开始转换。在转换完成后，ADC将再次降低其功耗。

如果长时间不使用ADC，则应该使用深度节能(PD)功能来完全降低ADC功耗。剩余的漏损电流通常为4 uA。分别显示NAP及PD运作中的电流消耗与采样率两者之间的关系。只有在低采样率的情况下才应该使用深度节能的方式运作，原因是此功能需要较长的唤醒时间。对于100kSPS以上的采样率而言，NAP功能较为有效。

为达到节能效果，建议关闭ADC的外部频率，否则电流消耗可能会维持在1mA以上。ADS8329／30与其他同类型产品不同，可用于较宽广的供电电压范围。在2.7V-5V的范围内，可以选择模拟供电电压，而数字接口的运作则可以降低至1.65V的程度。

ADS8329／30的设计不仅可达到低功耗，同时也可达到高效能。内部动态错差修正(dynamic errorcorrect’ion)可允许转换期间内出现较小的稳定问题及高温效应，并且在转换结束时进行修正。此功能及封装内修正(in-package trimming)会使差分线性(differential linearity)维持在±O.5最低有效位(LSB)的范围内，而紧密的差分线性也有助于达到良好的积分线性(integral IInearity)。显示一般的线性。

功耗受到限制时，便不易进行噪声的优化。在ADS8329／30上，借着将参考缓冲移到ADC之外，便能达到低噪声的效果。这需要外部电容针对ADC电容数组所引起参考电压上的突波进行补偿。如果此电容高出216+1，则转换期间此电容的电压降幅会维持在LSB的一半以下。对于ADS8329而言，建议使用22 u F陶瓷电容，此电容目前已采用0805尺寸，并且可达到XSR质量。参考电压应该具有良好的负载抑制，以免转换器输入端的平均电流引起参考输入的电压降幅，亦即超过LSB的一半。

除了此参考电压以外，内部比较器(comparator)也是主要的噪声来源。动态误差修正可容许较小的内部稳定误差，因此会减少比较器的带宽。这两个因素都会限制噪声，因此可达到DC输入电压的紧密噪声分布。在全部4096个取样之中，有4087个取样分布在2个程序代码。

市场上有许多噪声分布更为紧密的产品，但是这些产品都有完全对称且完全差动的输入信号，因此需要复杂的输入结构。ADS832g／30提供简单的单端输入范围，所以能够使用成本较低的CMOS放大器，例如OPA365。

良好的线性及噪声效能也反映在ADS832g／30的AC效能上，其SNR高达93dB。差分非线性会影响SNR，而且积分非线性会引起谐波。显示输入频率为1 0kHz并具备4096个取样的快速傅利叶转换(F[T)，可证实有良好的谐波失真。达到更高的频率时，总谐波失真(THD)则取决于非线性输入开关及内部电容。

这些非线性组件会使THD迅速降低，可看出这种变化。但是，相较于同类竞品，此降幅比较缓和。由于其内部使用相当特殊的开关结构，因此非线性开关会处于低阻抗运作点，这能够大幅降低开关的影响。

单信道ADS8329及双通道ADS8330既不是市场上最快速的SAR转换器，也无法将噪声降至最低，但却极其独特地结合了最低功耗、高速、低噪声及良好线性等效能。因此，这两款模拟数字转换器特别适用于首重低功耗及高效能的各种应用，例如手持式设备或多通道同步取样应用。