在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們要深入探討一款來(lái)自德州儀器（Texas Instruments）的高性能ADC——ADS7890。這款14位、1.25-MSPS的低功耗逐次逼近寄存器（SAR）模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具備眾多出色的特性，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。

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一、ADS7890的特性與應(yīng)用場(chǎng)景

（一）特性亮點(diǎn)

1. 高采樣率與高分辨率：ADS7890擁有1.25 MHz的采樣率和14位的分辨率，能夠準(zhǔn)確快速地將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)采集的需求。
2. 零延遲與偽差分輸入：零延遲特性確保了信號(hào)轉(zhuǎn)換的及時(shí)性，而偽差分輸入范圍為 -0V 到 2.5V，可有效補(bǔ)償ADC與傳感器之間的地電壓失配，并消除共模噪聲。
3. 低功耗設(shè)計(jì)：在1.25 MSPS的采樣率下，功耗僅為45 mW，還具備N(xiāo)ap模式（功耗10 mW）和掉電模式（功耗10 μW），大大降低了系統(tǒng)的整體功耗。
4. SPI兼容串行接口：方便與各種微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器等進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。
5. 出色的動(dòng)態(tài)性能：在0.5 MHz輸入時(shí)，SNR達(dá)到77.5 dB，THD為 -95 dB，保證了信號(hào)轉(zhuǎn)換的高精度和低失真。
6. 內(nèi)部參考與緩沖：內(nèi)置2.5V參考電壓和參考緩沖器，簡(jiǎn)化了外部電路設(shè)計(jì)。
7. 48引腳TQFP封裝：便于PCB布局和焊接，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

（二）應(yīng)用場(chǎng)景

ADS7890的出色特性使其在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括光網(wǎng)絡(luò)（DWDM、基于MEMS的交換）、頻譜分析儀、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速閉環(huán)系統(tǒng)以及電信等。

二、技術(shù)規(guī)格詳解

（一）絕對(duì)最大額定值

了解ADS7890的絕對(duì)最大額定值對(duì)于正確使用和保護(hù)器件至關(guān)重要。這些額定值規(guī)定了器件在各種條件下能夠承受的最大電壓、電流和溫度范圍。例如，+IN到AGND的電壓范圍為 -0.3V 到 +VA +0.1V，工作溫度范圍為 -40°C 到 85°C，存儲(chǔ)溫度范圍為 -65°C 到 150°C 等。超出這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。

（二）電氣特性

1. 模擬輸入特性：全量程輸入跨度為0到Vref（2.5V），絕對(duì)輸入范圍為 -0.2V 到 Vref +0.2V，輸入電容為27 pF，輸入泄漏電流為500 pA。這些特性決定了器件對(duì)模擬信號(hào)的處理能力和精度。
2. 系統(tǒng)性能指標(biāo)：分辨率為14位，無(wú)丟失碼，積分線(xiàn)性度為 -1.5 到 +0.75 LSB，差分線(xiàn)性度為 -1 到 ±0.75 LSB，偏移誤差和增益誤差在特定條件下均有明確的指標(biāo)范圍。這些指標(biāo)反映了器件的整體性能和精度。
3. 采樣動(dòng)態(tài)特性：轉(zhuǎn)換時(shí)間在 +VDB = 5V 時(shí)為365 ns，采集時(shí)間為187.5 ns，最大吞吐量速率為1.25 MHz，孔徑延遲為5 ns，孔徑抖動(dòng)為20 ps，階躍響應(yīng)和過(guò)電壓恢復(fù)時(shí)間均為50 ns。這些特性對(duì)于高速信號(hào)的采樣和處理非常關(guān)鍵。
4. 動(dòng)態(tài)特性：總諧波失真（THD）在不同輸入頻率和幅度下有不同的指標(biāo)，如在100 kHz、2.496 Vp-p輸入時(shí)，THD為 -95 dB；在0.5 MHz、2.496 Vp-p輸入時(shí)，THD為 -95 到 -88 dB。信噪比（SNR）和信納比（SINAD）也有相應(yīng)的指標(biāo)，這些指標(biāo)反映了器件在處理動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)的性能。
5. 外部參考輸入特性：輸入VREF范圍為2.4V 到 2.6V，電阻為500 kΩ（可 ±20% 變化）。內(nèi)部參考輸出特性包括啟動(dòng)時(shí)間、VREF范圍、源電流、線(xiàn)路調(diào)節(jié)和漂移等指標(biāo)。

（三）數(shù)字輸入/輸出特性

ADS7890的數(shù)字輸入/輸出采用CMOS邏輯家族，具有特定的邏輯電平要求。例如，VIH在IH = 5 μA 時(shí)為 +VBD - 1 到 +VBD +0.3V，VIL在IL = 5 μA 時(shí)為 -0.3V 到 0.8V。數(shù)據(jù)格式為直二進(jìn)制，方便與數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。

（四）電源要求

器件的電源電壓要求為 +VBD 在2.7V 到 5.25V 之間，+VA 在4.75V 到 5.25V 之間。在1.25 MHz采樣率下，+VA的電源電流為9到12 mA，功耗為45到60 mW。Nap模式和掉電模式下的電源電流和功耗也有相應(yīng)的指標(biāo)。

三、引腳功能與操作模式

（一）引腳功能

ADS7890共有48個(gè)引腳，每個(gè)引腳都有特定的功能。例如，SDO為串行數(shù)據(jù)輸出引腳，BUSY為狀態(tài)輸出引腳，SCLK為串行時(shí)鐘引腳，F(xiàn)S為幀同步引腳，CS為芯片選擇引腳等。了解這些引腳的功能和使用方法對(duì)于正確連接和操作器件至關(guān)重要。

（二）操作模式

1. SPI接口模式：在SPI接口模式下，器件操作由 $\overline{CS}$ 和SCLK控制，F(xiàn)S始終保持高電平。幀從 $\overline{CS}$ 的下降沿開(kāi)始，MSB首先從SDO引腳鎖存輸出。在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，器件進(jìn)入NAP狀態(tài)，直到第8個(gè)SCLK上升沿。第9個(gè)SCLK上升沿關(guān)閉采樣開(kāi)關(guān)，開(kāi)始采樣模擬輸入，第16個(gè)SCLK下降沿進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段。
2. DSP接口模式：在DSP接口模式下，器件操作由 $\overline{CS}$、SCLK和FS控制。幀從FS的上升沿開(kāi)始，$\overline{CS}$ 已經(jīng)為低電平。其他操作過(guò)程與SPI接口模式類(lèi)似。

（三）電源管理與復(fù)位

1. 電源管理：ADS7890具有Nap模式和掉電模式，可有效降低功耗。在Nap模式下，功耗為10 mW；在掉電模式下，功耗僅為10 μW。
2. 復(fù)位操作：當(dāng)PWD/RST引腳為低電平時(shí)，器件進(jìn)入復(fù)位階段，SDO進(jìn)入三態(tài)。復(fù)位后，前四次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)無(wú)效，器件需要進(jìn)行初始化。

（四）幀中止操作

在SPI和DSP接口模式下，幀可以在任何時(shí)候中止。不同階段的幀中止操作有不同的處理方式，例如在采樣前、采樣期間和轉(zhuǎn)換期間中止幀，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)輸出和后續(xù)操作產(chǎn)生不同的影響。

四、典型特性曲線(xiàn)

文檔中提供了一系列典型特性曲線(xiàn)，包括有效位數(shù)、信噪比、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍、總諧波失真、增益誤差、偏移誤差、功耗等與輸入頻率、溫度等參數(shù)的關(guān)系。這些曲線(xiàn)可以幫助工程師更好地了解器件在不同條件下的性能表現(xiàn)，從而進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

五、工作原理與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）工作原理

ADS7890采用電荷再分配的SAR架構(gòu)，內(nèi)部包含一個(gè)采樣/保持功能。模擬輸入信號(hào)通過(guò) +IN和 -IN引腳輸入，在轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，這兩個(gè)引腳之間的電壓差被采樣到內(nèi)部電容陣列上。轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由內(nèi)部生成，轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為365 ns（在 +VBD = 5V 時(shí)）。

（二）參考設(shè)計(jì)

器件內(nèi)置2.5V參考電壓，但也可以使用外部參考。使用內(nèi)部參考時(shí)，需要將REFOUT引腳連接到REFIN引腳，并在REFOUT和REFM之間連接0.1 μF的去耦電容和1 μF的存儲(chǔ)電容。使用外部參考時(shí)，需要在REFOUT和AGND之間連接0.1 μF的電容。

（三）模擬輸入設(shè)計(jì)

模擬輸入的電壓范圍和輸入電流特性需要特別注意。-IN輸入電壓限制在 -0.2V 到 0.2V 之間，+IN輸入范圍為 -0.2V 到 Vref +0.2V。輸入電容為27 pF，源信號(hào)需要能夠在采集時(shí)間內(nèi)將輸入電容充電到14位的穩(wěn)定電平。同時(shí)，要確保 +IN和 -IN到各自源的阻抗相同，以避免出現(xiàn)偏移誤差、增益誤差或線(xiàn)性誤差。

（四）推薦的運(yùn)算放大器

為了獲得最佳性能，推薦使用THS4031或THS4211作為模擬輸入的運(yùn)算放大器。文檔中的所有性能數(shù)據(jù)都是使用THS4031測(cè)量得到的。

（五）數(shù)字接口設(shè)計(jì)

器件可以工作在SPI或DSP接口模式下，通過(guò)CS、SCLK、FS等信號(hào)進(jìn)行控制。BUSY信號(hào)可以指示轉(zhuǎn)換是否正在進(jìn)行。

（六）布局設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)ADS7890的最佳性能，PCB布局非常關(guān)鍵。要注意將AGND和BDGND引腳連接到干凈的模擬地，避免與微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器的接地端過(guò)于接近。+VA和 +VBD的電源供應(yīng)需要進(jìn)行良好的去耦，使用0.1 μF的陶瓷電容和1 μF的電容進(jìn)行旁路。參考電壓的設(shè)計(jì)也需要注意，確保其能夠穩(wěn)定地為器件提供參考電壓。

六、總結(jié)

ADS7890是一款性能出色的14位、1.25-MSPS低功耗SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高采樣率、高分辨率、低功耗、出色的動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)。在使用該器件時(shí)，需要深入了解其技術(shù)規(guī)格、引腳功能、操作模式和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和PCB布局，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，要注意遵守器件的絕對(duì)最大額定值和推薦操作條件，確保器件的正常工作和可靠性。希望本文對(duì)電子工程師在使用ADS7890進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。你在實(shí)際設(shè)計(jì)中是否遇到過(guò)類(lèi)似ADC的應(yīng)用問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。