探索ADS831：高性能8位、80MHz采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器的奧秘

在電子設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）扮演著至關(guān)重要的角色，它是連接現(xiàn)實(shí)世界模擬信號(hào)與數(shù)字系統(tǒng)的橋梁。今天，我們將深入探討一款來自德州儀器（Texas Instruments）的高性能ADC——ADS831，它具備諸多令人矚目的特性，適用于醫(yī)療成像、視頻數(shù)字化、計(jì)算機(jī)掃描等眾多領(lǐng)域。

文件下載：ads831.pdf

一、ADS831的特性與應(yīng)用

特性亮點(diǎn)

ADS831擁有一系列出色的特性，使其在眾多ADC中脫穎而出。它具有49dB的高信噪比（SNR），提供內(nèi)部或外部參考選項(xiàng)，支持單端或差分模擬輸入，可編程輸入范圍為1Vp - p / 2Vp - p，功耗低至275mW，微分非線性（DNL）僅為0.35LSB，采用單+5V電源供電，封裝形式為SSOP - 20。

廣泛應(yīng)用

ADS831的應(yīng)用場景十分廣泛，涵蓋了醫(yī)療成像、視頻數(shù)字化、計(jì)算機(jī)掃描、通信以及磁盤驅(qū)動(dòng)器控制等領(lǐng)域。這些應(yīng)用對(duì)ADC的性能要求較高，而ADS831憑借其出色的特性能夠很好地滿足需求。

二、ADS831的詳細(xì)規(guī)格

絕對(duì)最大額定值

在使用ADS831時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，包括電源電壓、模擬輸入電壓、邏輯輸入電壓、外殼溫度、結(jié)溫以及存儲(chǔ)溫度等。例如，電源電壓（+VS）最大為+6V，模擬輸入范圍為0.3V至(+VS + 0.3V)等。

電氣特性

在全指定溫度范圍（TA）、單端輸入范圍為1.5V至3.5V、采樣率為80MHz且使用外部參考的條件下，ADS831展現(xiàn)出了卓越的電氣特性。

• 分辨率：保證為8位。
• 模擬輸入：標(biāo)準(zhǔn)單端輸入范圍為2Vp - p，可選單端輸入范圍為1Vp - p，共模電壓為2Vp - p等。
• 轉(zhuǎn)換特性：采樣率最高可達(dá)80M Samples/s，數(shù)據(jù)延遲為4個(gè)時(shí)鐘周期。
• 動(dòng)態(tài)特性：在不同頻率下，微分線性誤差、積分非線性誤差、無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）、信噪比（SNR）等指標(biāo)都表現(xiàn)出色。

引腳配置與描述

ADS831的引腳配置清晰明確，每個(gè)引腳都有其特定的功能。例如，GND為接地引腳，Bit1 - Bit8為數(shù)據(jù)位引腳，CLK為轉(zhuǎn)換時(shí)鐘引腳等。通過合理配置這些引腳，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能和工作模式。

三、ADS831的典型特性

線性誤差與動(dòng)態(tài)性能

在不同輸入頻率下，ADS831的微分線性誤差（DLE）和積分線性誤差（ILE）表現(xiàn)良好。隨著輸入頻率的變化，其動(dòng)態(tài)性能如SFDR、SNR等也能保持在較高水平。同時(shí)，功耗與溫度之間也存在一定的關(guān)系，在不同溫度下，功耗會(huì)有所變化。

四、ADS831的應(yīng)用信息

工作原理

ADS831采用流水線式CMOS架構(gòu)，由6個(gè)內(nèi)部級(jí)組成。其模擬輸入為差分跟蹤和保持結(jié)構(gòu)，能夠在高速采樣時(shí)實(shí)現(xiàn)較高的交流性能。它支持單端或差分輸入模式，典型配置為單端模式，在該模式下輸入跟蹤和保持會(huì)將模擬輸入信號(hào)進(jìn)行單端到差分的轉(zhuǎn)換。

模擬輸入驅(qū)動(dòng)

ADS831在單端或差分模式下都能實(shí)現(xiàn)出色的交流性能。選擇最佳接口配置取決于具體的應(yīng)用需求和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。例如，通信應(yīng)用通常處理不包含直流的頻段，而成像應(yīng)用則需要正確保持恢復(fù)的直流電平。通過合理配置ADS831的輸入范圍選擇（RSEL引腳）或使用外部參考選項(xiàng)，可以滿足不同應(yīng)用的需求。

輸入配置

• 交流耦合、單電源接口：通過連接RSEL引腳為高電平，可將滿量程輸入范圍設(shè)置為2Vp - p。使用兩個(gè)1kΩ電阻創(chuàng)建約+2.5V的共模電壓來偏置驅(qū)動(dòng)放大器的輸入。在放大器輸出與ADS831輸入之間添加小串聯(lián)電阻（RS）有助于解耦電容負(fù)載，避免增益峰值，提高信噪比。
• 交流耦合、雙電源接口：當(dāng)選擇的放大器采用雙電源工作時(shí)，這種配置可以利用低失真運(yùn)算放大器的優(yōu)勢，使驅(qū)動(dòng)放大器能夠以接地參考的雙極性信號(hào)擺動(dòng)工作，從而降低失真。
• 直流耦合與電平轉(zhuǎn)換：對(duì)于需要包含直流帶寬的應(yīng)用，需要對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行直流電平轉(zhuǎn)換。通過使用雙運(yùn)算放大器（如OPA2681）可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換，使其與所選輸入范圍兼容。
• 單端到差分配置（變壓器耦合）：在需要將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)輸入ADS831的應(yīng)用中，RF變壓器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。選擇具有中心抽頭的變壓器，通過對(duì)中心抽頭進(jìn)行交流接地，可以在次級(jí)繞組上產(chǎn)生差分信號(hào)擺動(dòng)。這種配置在寬輸入頻率范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)良好的SFDR性能。

參考操作

ADS831的內(nèi)部參考電路由帶隙電壓參考、頂部和底部參考驅(qū)動(dòng)器以及電阻參考梯形網(wǎng)絡(luò)組成。通過將RSEL引腳連接到低或高電位，可以分別將模擬輸入擺幅設(shè)置為1Vp - p或2Vp - p的滿量程范圍。在外部參考模式下，REFT和REFB的緩沖放大器與參考梯形網(wǎng)絡(luò)斷開。為確保參考配置的正常運(yùn)行，需要在參考引腳處提供良好的旁路電容，以最小化時(shí)鐘饋通。

外部參考操作

在某些應(yīng)用中，可以禁用內(nèi)部參考并使用外部參考電壓，以獲得更高的精度、更好的溫度性能或更寬的滿量程范圍調(diào)整。外部參考電壓的范圍需要滿足一定的條件，同時(shí)為了保持良好的交流性能，建議將典型共模電壓保持在+2.5V。

數(shù)字輸入與輸出

• 時(shí)鐘輸入要求：時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)高速、高分辨率ADC的SNR性能至關(guān)重要。ADS831在CLK輸入的上升沿采樣輸入信號(hào)，因此該邊沿應(yīng)具有盡可能低的抖動(dòng)。在欠采樣應(yīng)用中，需要特別注意時(shí)鐘抖動(dòng)，將時(shí)鐘輸入視為模擬輸入進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。
• 數(shù)字輸出：ADS831的輸出數(shù)據(jù)格式為正直偏移二進(jìn)制代碼，可以通過反轉(zhuǎn)最高有效位（MSB）輕松轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制補(bǔ)碼代碼。為了避免電容性負(fù)載對(duì)性能的影響，建議將數(shù)據(jù)線上的電容負(fù)載保持在盡可能低的水平（≤15pF）。
• 數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器（VDRV）：ADS831具有專門的輸出邏輯驅(qū)動(dòng)器電源引腳VDRV，可以設(shè)置為+5V或+3V以產(chǎn)生相應(yīng)的邏輯電平。建議使用+3V邏輯電源，以降低輸出級(jí)的功耗并減少電源線上的電流毛刺。

接地與去耦

對(duì)于高頻設(shè)計(jì)，正確的接地、旁路、短引線長度和使用接地平面非常重要。建議使用多層PCB板，以最小化接地阻抗并分離信號(hào)層。ADS831應(yīng)被視為模擬組件，盡可能使用模擬電源供電，以避免數(shù)字電源線上的噪聲耦合到轉(zhuǎn)換器中。同時(shí)，應(yīng)將模擬信號(hào)跡線與數(shù)字線分開，以防止噪聲耦合到模擬信號(hào)路徑上。

五、總結(jié)

ADS831作為一款高性能的8位、80MHz采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，憑借其豐富的特性、出色的性能和廣泛的應(yīng)用場景，為電子工程師提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理配置其引腳、參考電壓、輸入輸出模式等，同時(shí)注意接地和去耦等問題，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)最佳的性能。你在使用ADS831或其他類似ADC時(shí)，遇到過哪些問題或有什么獨(dú)特的經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀繗g迎在評(píng)論區(qū)分享交流。