德州儀器ADS820：高性能10位20MHz采樣A/D轉(zhuǎn)換器深度剖析

在電子工程師的日常工作中，選擇一款合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）的ADS820，一款低功耗、高性能的10位、20MHz采樣A/D轉(zhuǎn)換器。

文件下載：ads820.pdf

一、產(chǎn)品概述

ADS820采用小幾何尺寸CMOS工藝制造，是一款單片式A/D轉(zhuǎn)換器。它集成了10位量化器、內(nèi)部跟蹤保持電路、參考電壓源，還具備掉電功能。該轉(zhuǎn)換器僅需單一的+5V電源供電，并且可以配置為接受差分或單端輸入信號(hào)。

（一）主要特性

• 無漏碼：確保轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性。
• 內(nèi)部參考電壓：簡化了外部電路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 低差分線性誤差：典型值為±0.15LSB，最大值為±0.2LSB，保證了高精度的轉(zhuǎn)換。
• 低功耗：僅195mW，適合對功耗要求較高的應(yīng)用場景。
• 高信噪比（SNR）：可達(dá)60dB，能有效減少噪聲干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。
• 寬帶跟蹤/保持：帶寬高達(dá)65MHz，可處理高頻信號(hào)。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

ADS820的高性能使其在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如機(jī)頂盒、電纜調(diào)制解調(diào)器、視頻數(shù)字化、CCD成像、攝像機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀、安全攝像頭以及中頻和基帶數(shù)字化等。

二、產(chǎn)品規(guī)格

（一）絕對最大額定值

在使用ADS820時(shí)，必須注意其絕對最大額定值，超過這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。例如，模擬輸入電壓范圍為+V+300V，邏輯輸入電壓范圍為+VS+400V，結(jié)溫最高為150°C，存儲(chǔ)溫度范圍為-65°C至+125°C等。

（二）封裝與訂購信息

ADS820提供SO-28封裝，指定的工作溫度范圍為-40°C至+85°C。具體的訂購信息可參考文檔末尾的封裝選項(xiàng)附錄或TI官網(wǎng)（www.ti.com）。

（三）電氣特性

在TA = +25°C、VS = +5V、采樣率為20MHz、時(shí)鐘占空比為50%且上升/下降時(shí)間為2ns的條件下，ADS820表現(xiàn)出了優(yōu)異的電氣性能。例如，分辨率為10位，輸入阻抗為1.25MΩ//4pF，數(shù)字輸入邏輯與TTL/HCT兼容的CMOS邏輯，轉(zhuǎn)換命令為下降沿觸發(fā)等。

三、工作原理

（一）采樣與跟蹤保持

ADS820采用全差分架構(gòu)和數(shù)字誤差校正技術(shù)，以確保10位的分辨率。其差分跟蹤保持電路由內(nèi)部時(shí)鐘控制，時(shí)鐘信號(hào)為非重疊的兩相信號(hào)φ1和φ2。在采樣時(shí)刻，輸入信號(hào)被采樣到輸入電容的下極板；在接下來的時(shí)鐘相位φ2，輸入電容的下極板連接在一起，反饋電容切換到運(yùn)算放大器的輸出，完成一次跟蹤保持循環(huán)。該電路還可以將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為全差分信號(hào)供量化器使用。

（二）流水線量化器架構(gòu)

ADS820的流水線量化器架構(gòu)包含九個(gè)階段，每個(gè)階段包含一個(gè)2位量化器和一個(gè)2位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）。每個(gè)2位量化器階段在子時(shí)鐘的邊緣進(jìn)行轉(zhuǎn)換，子時(shí)鐘頻率是外部時(shí)鐘頻率的兩倍。每個(gè)量化器的輸出被送入各自的延遲線，以與后續(xù)量化器階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間對齊。對齊后的數(shù)據(jù)被送入數(shù)字誤差校正電路，該電路可以根據(jù)冗余位的信息調(diào)整輸出數(shù)據(jù)，從而保證了ADS820出色的差分線性度和無漏碼特性。

（三）數(shù)據(jù)延遲

從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)到有效輸出數(shù)據(jù)存在6.5個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)延遲。輸出數(shù)據(jù)可以采用直偏二進(jìn)制（SOB）或二進(jìn)制補(bǔ)碼（BTC）格式。

四、模擬輸入與內(nèi)部參考

（一）輸入配置

ADS820的模擬輸入可以根據(jù)信號(hào)的性質(zhì)和所需的性能水平進(jìn)行多種配置。其內(nèi)部參考電壓設(shè)置了A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入范圍，差分輸入范圍以+2.25V的共模電壓為中心，每個(gè)輸入的滿量程范圍為+1.25V至+3.25V，因此量化器的差分輸入信號(hào)為4V。

（二）參考電壓

正滿量程參考電壓（REFT）和負(fù)滿量程參考電壓（REFB）引出用于外部旁路，共模（CM）電壓可作為參考為驅(qū)動(dòng)電路提供適當(dāng)?shù)钠?。但需要注意的是，不要過度加載該參考節(jié)點(diǎn)，以免影響內(nèi)部參考梯的線性度。

五、時(shí)鐘要求

CLK引腳接受CMOS電平的時(shí)鐘輸入，外部施加的轉(zhuǎn)換命令時(shí)鐘的上升沿和下降沿控制流水線中的各個(gè)級(jí)間轉(zhuǎn)換。因此，時(shí)鐘的占空比應(yīng)保持在50%，抖動(dòng)要小，上升和下降時(shí)間應(yīng)在2ns或更短。特別是在對高頻輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理和以最大采樣率工作時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。如果占空比偏離50%，會(huì)縮短一些級(jí)間的建立時(shí)間，從而降低信噪比（SNR）和差分非線性（DNL）性能。

六、數(shù)字輸出數(shù)據(jù)

ADS820的10位輸出數(shù)據(jù)為CMOS邏輯電平。標(biāo)準(zhǔn)輸出編碼為直偏二進(jìn)制（SOB），當(dāng)輸入信號(hào)為滿量程時(shí)，輸出全為“1”。通過將引腳19置為高電平，可以獲得二進(jìn)制補(bǔ)碼（BTC）輸出，此時(shí)最高有效位會(huì)被反轉(zhuǎn)。數(shù)字輸出可以通過將OE（引腳18）置為邏輯高電平設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，正常工作時(shí)引腳18為低電平或浮空。

七、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

（一）驅(qū)動(dòng)電路

• 變壓器耦合：對于交流耦合應(yīng)用，可以使用變壓器將單端輸入轉(zhuǎn)換為差分輸入。選擇低失真且在滿量程電壓下不會(huì)出現(xiàn)磁芯飽和的變壓器，并將變壓器的中心抽頭連接到+2.25V的共模電壓。同時(shí)，要注意將CM輸出引腳的電流消耗保持在0.5μA以下，以避免內(nèi)部參考梯的非線性。
• 電阻電容網(wǎng)絡(luò)：另一種低成本的接口電路是使用電阻和電容代替變壓器。根據(jù)信號(hào)帶寬，需要仔細(xì)選擇組件值，以保持?jǐn)?shù)據(jù)手冊中規(guī)定的性能。輸入電容和電阻構(gòu)成高通濾波器，通過增加電阻或電容的值可以降低截止頻率。為了在整個(gè)信號(hào)頻段內(nèi)保持低交流耦合阻抗，可以在極化電容上并聯(lián)一個(gè)小值（如1μF）的陶瓷電容。
• 直流耦合：如果信號(hào)需要直流耦合到ADS820的輸入，則需要使用運(yùn)算放大器輸入電路。在差分輸入模式下，可以使用兩個(gè)運(yùn)算放大器將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。

（二）外部參考與滿量程范圍調(diào)整

ADS820的內(nèi)部參考緩沖器輸出電流限制約為1mA，因此可以使用具有至少18mA輸出驅(qū)動(dòng)能力的外部參考來替代內(nèi)部的+1.25V和+3.25V參考。通過調(diào)整外部參考，可以調(diào)整增益誤差、改善增益漂移或改變ADS820的滿量程輸入范圍。

（三）PCB布局與旁路

良好的PCB布局對于ADS820的正常工作和頻譜響應(yīng)至關(guān)重要。建議采用多層PCB，將模擬和數(shù)字接地引腳直接連接到模擬接地平面，電源引腳應(yīng)盡可能靠近引腳使用0.1μF的陶瓷電容進(jìn)行旁路。

八、動(dòng)態(tài)性能測試與定義

（一）測試方法

為了準(zhǔn)確測試ADS820的動(dòng)態(tài)性能，需要使用高精度的鎖相信號(hào)源，如HP8644A信號(hào)發(fā)生器和HP8022A脈沖發(fā)生器。同時(shí)，對測試信號(hào)進(jìn)行低通濾波（或帶通濾波）是必要的，以測試ADS820的低失真特性。使用略低于滿量程的信號(hào)幅度可以為噪聲或直流偏置電壓留出一定的余量，避免A/D轉(zhuǎn)換器過載和信號(hào)峰值削波。

（二）性能定義

• 信號(hào)與噪聲和失真比（SINAD）：$10 log frac{ Sinewave Signal Power }{ Noise + Harmonic Power (first 15 harmonics) }$
• 信噪比（SNR）：$10 log frac{ Sinewave Signal Power }{ Noise Power }$
• 互調(diào)失真（IMD）：$10 log frac{ Highest IMD Pr oduct Power (to 5 th order) }{ Sinewave Signal Power }$

ADS820以其高性能、低功耗和靈活的配置特性，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競爭力。作為電子工程師，我們在設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮其各項(xiàng)特性和要求，合理設(shè)計(jì)應(yīng)用電路，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地了解和使用ADS820這款優(yōu)秀的A/D轉(zhuǎn)換器。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。