[FAQ] 我的 ADC 是否能够测量负电压？

问：我的 ADC 的数据表给出了 ±VREF 的输入范围。这是否意味着我可以测量相对于接地的负电压？

Annie Liu：

答：要回答这个问题，首先需要区分“绝对输入电压”和“差分输入电压”。这两种规格都可能出现在 ADC 数据表中，每种规格都有不同的注意事项。此外，由于许多 ADC 和 ADC 系统具有多个接地节点，因此有必要定义什么是“接地”。

绝对输入电压与差分输入电压

模拟输入端上的绝对输入电压 (AINx) 以固定电压（通常为接地节点）为基准。如图 1 所示，24 位、8 通道、30kSPS ADS1256 的绝对输入电压以 AGND 为基准。虽然这很常见，但其他接地节点可能包括数字接地 (DGND) 或负双极电源 (AVSS)，本文档的稍后部分会对这两种接地节点进行讨论。有关绝对输入电压要求的具体信息，请参阅 ADC 数据表。

差分输入电压 (VIN) 是在两个模拟输入端之间测得的电压。这两个输入端通常表示正模拟输入 (AINP) 和负模拟输入 (AINN)，因此 VIN = AINP – AINN。对于只有一个输入引脚的单端 ADC，AINN 在内部连接至接地端，因此 VIN = AINP。如图 1 所示，ADS1256 的差分输入电压范围（“满量程输入电压”）为 ±2*VREF/PGA。该公式意味着 ADC 可以测量 -2*VREF/增益至 +2*VREF/增益的差分电压。

图 1：ADS1256 模拟输入规格

因此，ADS1256 可以测量负差分 输入电压，但每个引脚上的绝对 输入电压必须为正 (≥ AGND)。例如，如果 AINP = 5V 且 AINN = 0V，则 VIN = AINP – AINN = 5V – 0V = +5V。如果 AINP 和 AINN 被调换，使 AINP = 0V 且 AINN = 5V，则 VIN = 0V – 5V = -5V。该示例会产生正负差分输入电压，但重要的是，每个引脚上的绝对输入电压（AINP 和 AINN）始终为正。因此，ADS1256 无法测量相对于接地的负电压。

双极电源

如果系统需要测量负电压，则可以选择采用双极电源的 ADC。例如，图 2 显示了 24 位、12 通道、4kSPS ADS124S08 的建议运行条件表。具体而言，模拟电源规格显示 AVSS 可以为负（以数字接地 (DGND) 为基准）。

图 2：ADS124S08 模拟输入规格

ADS124S08 的常见双极电源配置是 AVDD = 2.5V、AVSS = -2.5V，这两者都是以 DGND 为基准。例如，绕过 PGA 时，ADS124S08 上的绝对输入范围为 AVSS – 50mV < AINx < AVDD + 50mV。换句话说，如果使用双极模拟电源，ADS124S08 能够测量以 DGND 为基准的负电压。不过，如果所需的基准点是 AVSS（而不是 DGND），则无论电源配置如何，ADS124S08 都无法测量相对于 AVSS 的负电压。

使用单极电源时的双极输入范围

如果系统不支持双极电源，则可以使用双极输入 ADC。例如，16 位、8 通道、500kSPS ADS8688 使用差分放大器输入结构，即使在使用单极电源时，该结构也允许使用相对于接地 (AIN_nGND) ±10V 的绝对输入电压。图 3 显示了 ADS8688 数据表中的绝对（“操作条件”）输入电压和差分（“满量程”）输入电压参数。

图 3：ADS8688 模拟输入规格

请注意，在图 3 中，ADS8688 可以测量低至 -2.5 * VREF 的绝对输入电压（以 AIN_nGND 为基准）。如果使用 ADC 内部 4.096V 电压基准，这相当于 -10.24V。最终，即使在由单极电源供电时，ADS8688 也能够测量相对于接地的负电压。

其他 ADC 可能采用不同的支持测量负电压的电源结构。例如，24 位、8 通道（同步）、32kSPS ADS131M08 具有一个集成电荷泵，用于扩展绝对输入范围。图 4 显示了 ADS131M08 数据表中的模拟输入规格，其中 AINP 或 AINN 可低至 -1.3V（以 AGND 为基准）。尽管图 4 中未显示，但这些规格假定采用的是单极电源。

图 4：ADS131M08 模拟输入规格

为了帮助识别能够测量负电压的 ADC，请使用 TI 的精密 ADC 参数搜索工具。具体而言，选中“Input range (Min) (V)”参数并将最大值设置为 -0.01V（如图 5 所示）。筛选后的搜索结果提供了所有可以测量负电压的 ADC，但并未按需要单极或双极电源将这些 ADC 进行区分。

图 5：在精密 ADC 参数搜索中查找允许负电压输入的 ADC