該ADS117L11是一款 16 位 Δσ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC），使用寬帶濾波器的數(shù)據(jù)速率高達 400 kSPS，使用低延遲濾波器的數(shù)據(jù)速率高達 1067 kSPS。該器件將交流性能和直流精度完美結(jié)合，功耗低（高速模式下為 18.6 mW）。

該器件集成了輸入和基準(zhǔn)緩沖器，以減少信號負(fù)載。低漂移調(diào)制器可實現(xiàn)出色的直流精度和低帶內(nèi)噪聲，從而實現(xiàn)出色的交流性能。功率可擴展架構(gòu)提供兩種速度模式來優(yōu)化數(shù)據(jù)速率、分辨率和功耗。
*附件：ads117l11.pdf

數(shù)字濾波器可配置為寬帶或低延遲作，優(yōu)化交流性能或直流信號的數(shù)據(jù)吞吐量，所有這些都在一個器件中完成。

串行接口具有菊花鏈功能，可減少隔離柵上的SPI I/O。輸入和輸出數(shù)據(jù)以及寄存器設(shè)置通過循環(huán)冗余校驗 （CRC） 功能進行驗證，以提高運行可靠性。

小型 3 mm × 3 mm WQFN 封裝專為空間有限的應(yīng)用而設(shè)計。該器件完全符合–40°C至+125°C溫度范圍的額定工作。

特性

• 可編程數(shù)據(jù)速率：
  • 高達 400 kSPS（寬帶濾波器）
  • 高達 1.067 MSPS（低延遲濾波器）
• 可選數(shù)字濾波器：
  • 寬帶或低延遲
• 交流精度與直流精度：
  • 動態(tài)范圍：97.5 dB （200 kSPS），典型值
  • THD：–110 dB，典型值
  • INL：0.5 LSB，典型值
  • 失調(diào)漂移：50 nV/°C，典型值
  • 增益漂移：0.6 ppm/°C，典型值
• 電源可擴展架構(gòu)：
  • 高速模式：400 kSPS，18.6 mW
  • 低速模式：50 kSPS，3.3 mW
• 輸入和基準(zhǔn)預(yù)充電緩沖器
• 內(nèi)部或外部時鐘

參數(shù)

方框圖

一、產(chǎn)品定位與核心屬性

ADS117L11 是德州儀器推出的 16 位高精度 ΔΣ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） ，采用 3mm×3mm 20 引腳 WQFN 封裝，支持 - 40°C 至 + 125°C 寬溫工作范圍，專為高精度信號采集場景設(shè)計，如測試測量（數(shù)據(jù)采集、振動儀器、聲學(xué)設(shè)備）、工廠自動化（模擬輸入模塊）、醫(yī)療（脈搏血氧儀）及電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施（電力質(zhì)量分析儀）。其核心優(yōu)勢在于 功率可縮放架構(gòu) （高速模式 400 kSPS/18.6 mW，低速模式 50 kSPS/3.3 mW）、優(yōu)異的動態(tài)性能（動態(tài)范圍 97.5 dB、THD -110 dBc）與直流精度（INL 0.5 LSB、偏移漂移 50 nV/°C），同時集成輸入與基準(zhǔn)預(yù)充電緩沖器，簡化前端驅(qū)動設(shè)計，適配多場景高精度信號采集需求。

二、關(guān)鍵性能參數(shù)

1. 精度與線性度

• 分辨率與完整性 ：16 位無缺失碼，支持 1x（±V_REF）/2x（±2V_REF）輸入量程切換，可通過配置實現(xiàn)雙極性（2's 補碼）或單極性（二進制）數(shù)據(jù)輸出，適配不同信號類型。
• 線性誤差 ：積分非線性（INL）典型值 0.5 LSB，微分非線性（DNL）未明確最大值（需結(jié)合應(yīng)用場景評估），確保全量程信號轉(zhuǎn)換線性度。
• 直流特性 ：25°C 時偏移誤差 ±30 μV（最大值 ±250 μV），偏移漂移典型值 50 nV/°C（最大值 200 nV/°C）；增益誤差 ±200 ppm FSR（最大值 ±2000 ppm FSR），增益漂移典型值 0.6 ppm/°C（最大值 2 ppm/°C），溫漂特性優(yōu)異，寬溫環(huán)境下精度穩(wěn)定。
• 抗干擾能力 ：直流共模抑制比（CMRR）110-120 dB，10 kHz 時 115 dB；電源抑制比（PSRR）AVDD1/AVDD2/IOVDD 直流均為 95-100 dB，有效抑制共模干擾與電源噪聲。

2. 動態(tài)性能（典型值，AVDD1=5V，V_REF=4.096V，1x 量程）

3. 功耗與速率特性

• 功率可縮放 ：高速模式（f_CLK=25.6 MHz）功耗 18.6 mW（400 kSPS），低速模式（f_CLK=3.2 MHz）功耗 3.3 mW（50 kSPS），支持空閑、待機、掉電模式，待機功耗 60 μA，掉電功耗 5 μA，適配低功耗場景。
• 采樣速率 ：寬帶濾波器最高 400 kSPS（高速模式）/50 kSPS（低速模式）；低延遲濾波器（sinc4/sinc3）最高 1.067 MSPS（高速模式）/133 kSPS（低速模式），速率與功耗靈活平衡。
• 輸入特性 ：輸入阻抗 8 kΩ（100 kHz），輸入電容 7 pF（100 kHz），支持差分輸入，共模電壓（VCM 引腳）輸出 0.95 V（(AVDD1+AVSS)/2），可直接驅(qū)動外部全差分放大器。

三、硬件設(shè)計關(guān)鍵信息

1. 引腳功能與配置

• 模擬輸入 ：單通道差分輸入（AINP/AINN），支持 AC/DC 耦合，1x 量程時滿量程輸入 ±V_REF，2x 量程時 ±2V_REF；集成輸入預(yù)充電緩沖器（CONFIG1 寄存器控制使能），降低前端驅(qū)動帶寬需求。
• 基準(zhǔn)電壓 ：差分基準(zhǔn)輸入（REFP/REFN），支持低基準(zhǔn)范圍（0.5-2.75V）與高基準(zhǔn)范圍（1V 至 AVDD1-AVSS），集成 REFP 預(yù)充電緩沖器（CONFIG1 寄存器控制），減少基準(zhǔn)采樣電流（典型值 ±2 μA）。
• 電源引腳 ：
  • 模擬電源：AVDD1（引腳 20，4.5-5.5V 高速模式 / 2.85-5.5V 低速模式）、AVDD2（引腳 19，1.74-5.5V）、AVSS（引腳 17，地），需獨立供電避免噪聲耦合。
  • 數(shù)字電源：IOVDD（引腳 13，1.65-5.5V），為 SPI 接口與數(shù)字核心供電。
  • regulators 輸出：CAPA（引腳 18，模擬 LDO 輸出，需外接 1μF 電容）、CAPD（引腳 15，數(shù)字 LDO 輸出，需外接 1μF 電容），保障內(nèi)部電路穩(wěn)定。
• 控制與通信引腳 ：
  • SPI 接口：CS（引腳 7，片選低有效）、SCLK（引腳 9，時鐘）、SDI（引腳 8，數(shù)據(jù)輸入）、SDO/DRDY（引腳 10，數(shù)據(jù)輸出 / 數(shù)據(jù)就緒），支持 3 線 / 4 線模式、菊花鏈連接，集成 CRC 校驗（SPI 通信與寄存器映射）。
  • 同步 / 復(fù)位：START（引腳 16，轉(zhuǎn)換啟動）、RESET（引腳 6，硬件復(fù)位低有效，內(nèi)置 20 kΩ 上拉）、DRDY（引腳 11，數(shù)據(jù)就緒低有效）。

2. 時鐘與基準(zhǔn)設(shè)計

• 時鐘選項 ：支持內(nèi)部振蕩器（高速模式 25.6 MHz±0.8%，低速模式 3.2 MHz±0.9%）或外部時鐘（高速模式 0.5-26.2 MHz，低速模式 0.5-3.28 MHz），外部時鐘可通過 CLK_DIV 寄存器分頻（÷8）適配低速模式，時鐘抖動需控制（如 200 kHz 信號需 < 20 ps rms）以避免 SNR 劣化。
• 基準(zhǔn)配置 ：推薦外接高精度基準(zhǔn)（如 REF6041 4.096V），REFP/REFN 引腳需就近放置 1μF+0.1μF 旁路電容；低基準(zhǔn)范圍（如 2.5V）適配 2x 量程，高基準(zhǔn)范圍（如 4.096V）僅支持 1x 量程，需通過 CONFIG1 寄存器的 REF_RNG 位匹配基準(zhǔn)電壓。

3. 數(shù)字接口與數(shù)據(jù)處理

• SPI 通信 ：兼容 SPI 模式 1（CPOL=0，CPHA=1），支持全雙工操作，幀長度 16/24/32 位（含 STATUS 頭 / CRC 字節(jié)），菊花鏈模式可減少多 ADC 系統(tǒng)的 SPI 引腳占用，最大級聯(lián)數(shù)量受 SCLK 頻率與數(shù)據(jù)率限制（如 20 MHz SCLK、100 kSPS 數(shù)據(jù)率時最多 6 片）。
• 數(shù)據(jù)格式 ：雙極性輸出為 16 位 2's 補碼（范圍 - 8000h 至 7FFFh），單極性為 16 位二進制（范圍 0000h 至 FFFFh），可通過 CONFIG4 寄存器的 BIP_UNI 位切換，數(shù)據(jù)讀取支持同步 / 啟動 - 停止 / 單觸發(fā)三種控制模式。

四、功能模塊與配置

1. 模擬前端優(yōu)化

• 輸入緩沖器 ：AINP/AINN 預(yù)充電緩沖器（CONFIG1 寄存器 AINP_BUF/AINN_BUF 位），使能后輸入電流降至 ±0.4 μA（低速模式），減少前端驅(qū)動負(fù)載，適配高阻抗傳感器（如應(yīng)變片）直接連接；禁用時輸入電流 95 μA/V（高速模式），需前端驅(qū)動具備足夠帶寬。
• 輸入多路選擇（MUX） ：支持正常極性、反相極性、偏移測試（輸入短接至共模電壓）、共模測試（輸入短接后接 AINP）四種模式，可通過 MUX 寄存器配置，用于系統(tǒng)校準(zhǔn)與性能驗證。
• 擴展量程 ：CONFIG2 寄存器 EXT_RNG 位使能后，輸入量程擴展 25%（如 1x 量程變?yōu)?±1.25V_REF），提供信號余量，但 SNR 在輸入超 110% 滿量程時會因調(diào)制器飽和劣化。

2. 數(shù)字濾波器配置

• 寬帶濾波器 ：多抽頭 FIR 結(jié)構(gòu)，支持 OSR 32-4096 可調(diào)，-0.1 dB 帶寬 0.4×f_DATA，-3 dB 帶寬 0.437×f_DATA，群延遲 34/f_DATA，適合 AC 信號采集（如振動、聲學(xué)），高速模式 OSR=32 時數(shù)據(jù)率 400 kSPS，噪聲 10.6 μVrms。
• 低延遲濾波器 ：含 sinc4、sinc4+sinc1、sinc3、sinc3+sinc1 四種配置， latency 最短 4.38 μs（高速模式 sinc4，OSR=12），適合 DC 信號快速采集（如醫(yī)療監(jiān)護），sinc3 模式支持 50/60 Hz 工頻抑制（NMRR 100 dB）。
• 過采樣與噪聲 ：OSR 可調(diào)（32-4096），噪聲隨 OSR 增加降低（如高速模式 OSR=4096 時噪聲 0.92 μVrms），量化噪聲與熱噪聲共同決定 SNR，多數(shù)速率下量化噪聲占主導(dǎo)（SNR≈98 dB）。

3. 校準(zhǔn)與電源管理

• 校準(zhǔn)功能 ：支持 24 位偏移（OFFSET2/1/0 寄存器）與增益（GAIN2/1/0 寄存器）校準(zhǔn)，偏移校準(zhǔn)通過減去校準(zhǔn)值實現(xiàn)，增益校準(zhǔn)通過乘以歸一化系數(shù)（GAIN/400000h）實現(xiàn)，需存儲校準(zhǔn)系數(shù)至外部非易失性存儲器，上電后重新配置。
• 電源模式 ：
  • 正常模式：全功能工作，高速 / 低速模式可通過 SPEED_MODE 位切換。
  • 待機模式：轉(zhuǎn)換停止時自動進入，功耗降至 60 μA，重啟需額外 24 個時鐘周期。
  • 掉電模式：CONFIG2 寄存器 PWDN 位使能，僅保留 SPI 與數(shù)字 LDO，功耗 5 μA，喚醒需清除 PWDN 位或復(fù)位。

五、應(yīng)用設(shè)計與布局建議

1. 典型應(yīng)用電路

以高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，前端采用 THS4551 全差分放大器（135 MHz GBW，50 ns settling 時間），搭配 4 階抗混疊濾波器（無源 RC + 有源 MFB 結(jié)構(gòu)），實現(xiàn) 12.8 MHz（高速模式調(diào)制器頻率）處 90 dB 衰減；ADC 配置為高速模式、1x 量程、寬帶濾波器（OSR=32），基準(zhǔn)采用 REF6041 4.096V（噪聲 10 μVrms），數(shù)據(jù)通過 SPI 傳輸至 FPGA，時鐘采用低抖動晶振（如 Si5351，抖動 < 100 fs），保障雙通道同步采樣精度。

2. 電源與濾波設(shè)計

• 電源架構(gòu) ：AVDD1 推薦 “開關(guān)電源（如 TPS62821）+3Ω 串聯(lián)電阻 + 1μF+0.1μF 旁路電容”，AVDD2/IOVDD 直接并聯(lián) 1μF+0.1μF 電容，CAPA/CAPD 引腳分別外接 1μF 電容至 AVSS/DGND，減少電源紋波與 LDO 噪聲。
• 抗混疊濾波 ：模擬輸入串聯(lián) 22Ω 電阻 + 2.2 nF 電容（截止頻率≈3.6 MHz），REFP/REFN 引腳并聯(lián) 1μF+0.1μF 電容，抑制高頻噪聲耦合，適配 ΔΣ ADC 的噪聲整形特性。

3. 布局 Guidelines

• 信號分區(qū) ：模擬信號（AINP/AINN、REFP/REFN、CLK）與數(shù)字信號（SPI、DRDY）分開布線，模擬區(qū)域遠離功率器件（如 MOSFET），數(shù)字走線避免穿越模擬地平面。
• 差分布線 ：AINP/AINN、REFP/REFN、CLK 采用 100Ω 差分布線，長度匹配誤差≤50 mil，減少相位偏移；模擬輸入線最短路徑布線，避免過孔，降低寄生電感。
• 散熱設(shè)計 ：底部熱焊盤（Thermal Pad）需通過過孔連接至內(nèi)層地平面，結(jié)合 PCB 散熱設(shè)計（如銅皮面積≥10 mm2），確保結(jié)溫（T_J）不超過 125°C（推薦 < 100°C 以延長壽命）。