在電子工程師的日常設計工作中，高性能的模數轉換器（ADC）是不可或缺的關鍵組件。今天，我們就來深入探討德州儀器（Texas Instruments）的ADS5242這款4通道、12位、65MSPS的ADC，看看它在設計上有哪些獨特之處，又能為我們的項目帶來怎樣的優(yōu)勢。

文件下載：ads5242.pdf

一、核心特性亮點

1. 集成PLL與LVDS輸出

ADS5242集成了鎖相環(huán)（PLL），它能將輸入的ADC采樣時鐘乘以12倍。這個高頻的LVDS時鐘在數據序列化和傳輸過程中發(fā)揮著重要作用。每個內部ADC的字輸出可以選擇以最高有效位（MSB）或最低有效位（LSB）優(yōu)先的方式進行序列化和傳輸。除了四個數據輸出外，還會傳輸位時鐘和字時鐘，其中位時鐘的速度是采樣時鐘的6倍，而字時鐘的速度與采樣時鐘相同。這種設計不僅提高了數據傳輸的效率，還增強了數據的準確性和穩(wěn)定性。

2. 高分辨率與低功耗

它擁有12位的分辨率，并且沒有丟失代碼的問題，這意味著在轉換過程中能夠精確地表示模擬信號。在功耗方面，內部參考模式下的總功耗為660mW，外部參考模式下為594mW，這種低功耗特性使得它在對功耗要求較高的應用場景中表現出色。

3. 其他特性

采用CMOS技術，具備同時采樣保持功能，在10MHz中頻時具有70.8dBFS的信噪比（SNR），數字/模擬電源為3.3V，采用序列化LVDS輸出，集成了幀和位模式，還可以選擇將LVDS時鐘輸出電流加倍，有四種LVDS電流模式，引腳和格式與家族其他產品兼容，采用HTQFP - 64 PowerPAD?封裝。

二、關鍵參數詳解

1. 絕對最大額定值

在使用ADS5242時，必須嚴格遵守其絕對最大額定值。例如，模擬電源電壓（AVDD）和LVDS電源電壓（LVDD）的范圍為 - 0.3V至 + 3.8V，外部參考引腳施加的電壓范圍為 - 0.3V至 + 2.4V等。超出這些額定值可能會導致器件永久性損壞，影響其可靠性。

2. 推薦工作條件

推薦的模擬電源電壓（AVDD）和輸出驅動器電源電壓（LVDD）為3.0V至3.6V，典型值為3.3V。外部參考模式下的參考電壓也有明確的范圍要求，如REFT為1.825V至2V，REF為0.9V至1.075V等。這些參數的正確設置對于保證器件的性能至關重要。

3. 電氣特性

直流精度

包括無丟失代碼、差分非線性（DNL）、積分非線性（INL）、偏移誤差、增益誤差等參數。例如，DNL是指數字輸出的任何單個LSB轉換與模擬輸入的理想1 LSB步長之間的偏差，如果器件聲稱沒有丟失代碼，意味著在整個工作范圍內所有可能的代碼（對于12位轉換器，有4096個代碼）都存在。

功率要求

內部參考模式下，模擬部分（AVDD）的功耗為500mW，輸出驅動器（LVDD）的功耗為160mW，總功耗為660mW；外部參考模式下，總功耗為594mW。此外，還有總功率關斷等不同模式下的功耗情況。

參考電壓

內部參考電壓VREFT為1.9V至2.0V，VREF為0.9V至1.0V，VCM為1.4V至1.5V等。這些參考電壓的穩(wěn)定性對于ADC的轉換精度有著直接的影響。

4. 交流特性

交流特性主要包括無雜散動態(tài)范圍（SFDR）、二階諧波失真（HD2）、三階諧波失真（HD3）、信噪比（SNR）、信噪失真比（SINAD）、有效位數（ENOB）等。例如，在不同的輸入頻率下，這些參數會有不同的表現，工程師需要根據具體的應用場景來評估這些參數是否滿足要求。

三、引腳與接口設計

1. 引腳描述

ADS5242的引腳眾多，每個引腳都有其特定的功能。例如，ADCLK是數據轉換器時鐘輸入引腳，AVDD是模擬電源引腳，IN1P和IN1N是通道1的差分模擬輸入引腳等。了解這些引腳的功能對于正確連接和使用器件至關重要。

2. 串行接口

串行接口的時鐘輸入頻率（SCLK）為20MHz，數據以MSB優(yōu)先的方式移入。同時，還有數據設置時間、數據保持時間等時序要求，這些要求確保了數據傳輸的準確性和穩(wěn)定性。

四、工作原理剖析

1. 整體架構

ADS5242是一款4通道、高速的CMOS ADC，它由輸入的高性能采樣保持電路和12位ADC組成。四個通道由單個時鐘ADCLK驅動，通過精心匹配的時鐘緩沖樹從輸入時鐘生成每個通道的采樣時鐘。內部的PLL從ADCLK生成12倍時鐘用于序列化器，同時還輸出6倍和1倍時鐘用于數據捕獲。

2. 模擬輸入驅動

模擬輸入通過兩個600Ω電阻進行內部偏置，以實現交流耦合。建議在每個輸入引腳串聯一個大于20Ω的電阻，使用4pF的采樣電容對輸入進行采樣。外部交流耦合電容的選擇取決于所需的最低輸入頻率的衰減。

3. 輸入過壓恢復

ADS5242能夠處理過壓情況，當差分峰 - 峰值電壓超過ADC滿量程范圍的兩倍時，在輸入從過載切換到零信號時，若輸入共模電壓與VCM相差不大（在標稱值1.45V左右小于300mV），預計在三個時鐘周期內恢復。在大多數應用中，當輸入為幅度等于ADC差分滿量程范圍兩倍的正弦波時，ADC輸出通常在第二個時鐘周期內恢復到滿量程的1%以內。

4. 參考電路設計

參考電路設計對于保證增益匹配至關重要。使用單個內部參考電壓緩沖器來匹配芯片內四個通道的參考電壓，在生產過程中對每個芯片的參考電壓進行微調，以確保不同芯片之間的參考電壓匹配良好。通過在ISET引腳連接外部電阻到地來設置器件內部操作所需的所有偏置電流，建議外部電阻在規(guī)定值56.2kΩ的10%以內。

5. 時鐘設計

四個通道由單個ADCLK輸入驅動，使用時鐘樹網絡為每個通道生成單獨的采樣時鐘，以確保所有通道的孔徑延遲和抖動相同。內部PLL用于生成具有50%占空比的內部時鐘，同時還生成12倍時鐘用于序列化器。輸入ADCLK理想情況下應具有50%的占空比，但在實際布線過程中可能會發(fā)生偏差，此時內部PLL可以保證采樣的準確性。

6. LVDS緩沖器

LVDS緩沖器有兩個電流源，外部負載理想情況下為100Ω。它有四種電流設置，默認電流設置為3.5mA。數據以LSB優(yōu)先的方式輸出，通過寄存器編程可以改為MSB優(yōu)先。序列化器還會傳輸1倍時鐘和6倍時鐘，用于同步數據捕獲。此外，還可以通過寄存器設置啟用去斜模式、同步模式和自定義模式。

7. 噪聲耦合問題

高速混合信號對各種噪聲耦合非常敏感，ADS5242采取了一系列措施來減少噪聲耦合。例如，明確劃分芯片的模擬和數字域，使用AVDD/AVSS表示模擬部分的電源和地，LVDD/LVSS表示數字部分的電源和地。同時，使用多個引腳驅動每個電源和地，以減小電源/地引腳的有效電感，從而更好地抑制噪聲。

8. 掉電模式

ADS5242有掉電引腳PD，將PD拉高會使器件進入掉電模式，此時參考和時鐘電路以及所有通道都將斷電，器件功耗降至小于100mW。掉電模式下，內部驅動REF_T和REF_B的緩沖器處于三態(tài)，其輸出被強制為大約等于AVDD電壓的一半。從掉電模式恢復的速度取決于REF_T和REF_B引腳上的外部電容值。此外，還可以通過編程寄存器選擇性地關閉單個通道。

9. 復位

在電源穩(wěn)定后，需要給器件一個有效的復位脈沖，使所有內部寄存器復位到默認值0。如果不進行復位，某些寄存器在上電時可能處于非默認狀態(tài)，這可能導致器件故障。復位有效時，所有通道輸出“0”代碼，但LVDS輸出時鐘不受復位影響。

五、典型應用場景

ADS5242適用于多種應用場景，如便攜式超聲系統、磁帶驅動器、測試設備、光網絡通信等。在這些應用中，它的高性能、低功耗和高集成度等特性能夠充分發(fā)揮作用，為系統的穩(wěn)定運行提供保障。

六、總結與思考

ADS5242作為一款高性能的ADC，在設計上充分考慮了工程師在實際應用中的需求。它的集成PLL、LVDS輸出、低功耗等特性使其在眾多ADC產品中脫穎而出。然而，在使用過程中，我們也需要注意其絕對最大額定值、推薦工作條件等參數，合理設計參考電路、時鐘電路等，以確保器件的性能和可靠性。同時，對于噪聲耦合、掉電模式和復位等問題，我們也需要采取相應的措施來避免潛在的問題。

各位工程師朋友們，在你們的項目中是否使用過類似的ADC呢？在使用過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你們的經驗和見解。