德州儀器ADS804：高性能12位ADC的深度解析

在電子設計領域，模擬 - 數(shù)字轉換器（ADC）是連接現(xiàn)實模擬世界與數(shù)字處理系統(tǒng)的橋梁。德州儀器的ADS804作為一款高性能的12位ADC，以其出色的性能和靈活的設計特點，在眾多應用場景中發(fā)揮著重要作用。

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一、器件概述與亮點特性

1. 基本參數(shù)與性能指標

ADS804是一款高速、高動態(tài)范圍的12位流水線式ADC。它具有高達10MHz的采樣率，能快速精準地將模擬信號轉換為數(shù)字信號。在性能指標方面表現(xiàn)卓越，無雜散動態(tài)范圍（SFDR）在奈奎斯特頻率下可達80dB，信噪（SNR）比為69dB，低功耗僅180mW，差分線性誤差（DLE）低至±0.3LSB。這樣的高性能指標使它能夠滿足各種復雜應用對信號轉換精度和速度的要求。

2. 靈活輸入范圍與過范圍指示

ADS804提供內部參考，可靈活編程輸入范圍。它既可以選擇2Vp-p輸入范圍以獲得最佳雜散性能和易于驅動的優(yōu)勢，也能采用5Vp-p輸入范圍以實現(xiàn)0.09LSBs rms的最低輸入參考噪聲，從而提供卓越的成像性能。此外，還能將輸入范圍設置在2Vp-p和5Vp-p之間，或者使用外部參考。同時，它具備過范圍指示標志（OVR），當輸入信號超出轉換器的滿量程輸入范圍時，該標志可以觸發(fā)，用于降低前端增益調節(jié)電路的增益。

3. 應用領域廣泛

憑借其出色的性能，ADS804適用于多種領域，如中頻（IF）和基帶數(shù)字化、CCD成像掃描儀、測試儀器等。在通信領域，它的高SFDR和SNR能提供足夠的裕量，確保信號的準確轉換和傳輸；在醫(yī)療成像和視頻應用中，低失真和高分辨率的特性有助于獲取清晰準確的圖像信息；而在測試儀器中，其高精度和快速采樣能力則能保證測量結果的可靠性。

二、電氣特性與引腳配置

1. 電氣特性詳解

在電氣特性方面，ADS804在全指定溫度范圍（ - 40°C至+85°C）、 $V_{S}= + 5V$ 、指定單端輸入范圍為1.5V至3.5V、采樣率為5MHz或10MHz的條件下，各項參數(shù)表現(xiàn)穩(wěn)定。其分辨率為12位，采樣率最高可達10M Samples/s，數(shù)據延遲為6個時鐘周期。模擬輸入方面，單端輸入范圍可在1.5V - 3.5V之間，還可選擇其他范圍，輸入阻抗為16MΩ，跟蹤模式輸入帶寬為270MHz。動態(tài)特性上，差分線性誤差最大為±0.75LSB，無漏碼現(xiàn)象，在4.8MHz的信號頻率下，SFDR可達80dB，SNR為69dB。

2. 引腳配置與功能

ADS804采用SSOP - 28封裝，其引腳配置具有明確的功能定義。例如，OVR引腳作為過范圍指示，方便監(jiān)測輸入信號是否超出范圍；CLK引腳為轉換時鐘輸入，控制著ADC的采樣節(jié)奏；OE引腳用于輸出使能，可設置輸出的高阻態(tài)或正常工作狀態(tài)；+Vs為+5V電源引腳，GND為接地引腳；SEL引腳用于輸入范圍選擇，VREF引腳用于參考電壓選擇等。通過合理連接這些引腳，可以實現(xiàn)不同的輸入范圍和工作模式。

三、典型特性與性能曲線

1. 性能隨條件變化情況

在全指定溫度范圍、 $V_{S}= + 5V$ 、指定單端輸入范圍為1.5V至3.5V、采樣率為10MHz的條件下，ADS804的典型特性曲線展示了其性能隨不同參數(shù)的變化情況。從功率耗散與溫度的曲線可以看出，隨著溫度的升高，功率耗散會有所增加，但整體仍在可接受范圍內。輸出噪聲直方圖則反映了在直流輸入情況下，輸出噪聲的分布情況，有助于評估ADC在實際應用中的噪聲性能。

2. 對設計的指導意義

這些典型特性曲線為工程師在實際設計中提供了重要的參考依據。例如，在高溫環(huán)境下使用時，可以根據功率耗散曲線合理設計散熱方案，保證器件的穩(wěn)定性；根據輸出噪聲直方圖，選擇合適的抗干擾措施，提高系統(tǒng)的信噪比。

四、應用電路設計與注意事項

1. 模擬輸入驅動方式

ADS804的模擬輸入可以采用單端或差分驅動方式，這里重點討論單端配置。單端配置實現(xiàn)相對容易，且ADS804的額定規(guī)格也是基于單端工作模式進行表征的。

• AC耦合輸入配置：這是最常見的接口配置之一。通過將 $V{REF}$ 引腳連接到SEL引腳，可定義滿量程輸入范圍為2Vp - p。使用低失真電壓反饋放大器OPA642將信號以單端形式交流耦合到ADS804。為了使輸入信號滿足ADC的輸入范圍要求，需要對放大器的零中心模擬信號進行電平偏移，可通過在驅動放大器輸出和轉換器輸入之間使用直流阻斷電容來實現(xiàn)。同時，使用兩個2kΩ的電阻對創(chuàng)建約+2.5V的共模電壓，為ADS804的輸入提供必要的直流偏置。交流耦合的優(yōu)點是驅動放大器仍以基于地的信號擺幅工作，能保持失真性能最優(yōu)，因為信號擺幅在運算放大器的線性區(qū)域內，且能保持與電源軌之間足夠的裕量。此外，在運算放大器輸出和ADS804輸入之間添加一個小的串聯(lián)電阻（$R{S}$）有助于解耦運算放大器輸出與容性負載，避免增益峰值導致的噪聲增加，為了獲得最佳的雜散和失真性能，電阻值應保持在100Ω以下。
• DC耦合無電平偏移：在某些應用中，模擬輸入信號可能已經偏置在符合ADS804所選輸入范圍和參考電平的水平。此時，只需為所選輸入提供足夠低的源阻抗即可。由于寬帶運算放大器在寬頻率范圍內輸出阻抗較低，因此應優(yōu)先考慮使用。對于需要驅動放大器提供信號放大（增益≥3）的應用，可以考慮使用去補償電壓反饋運算放大器OPA643。
• DC耦合有電平偏移：當信號路徑帶寬需要包含直流成分時，需要將信號直流耦合到ADC。這就要求接口電路提供直流電平偏移。例如，使用一個運算放大器將零中心輸入信號與所需的直流偏移相加，以實現(xiàn)直流電平的調整。常見的做法是讓ADS804以+2.5V的共模電壓工作，可通過在電阻梯的中點建立該電壓并連接到轉換器的IN輸入來實現(xiàn)。放大器A1采用反相配置，通過電阻$R{1}$和$R{2}$設置其直流偏置電平。由于運算放大器的噪聲增益為+2V/V，假設$R{F}=R{IN}$，則施加到其同相輸入的直流偏移電壓需分壓至+1.25V，以產生+2.5V的直流輸出電壓。
• 單端 - 差分配置（變壓器耦合）：在選擇適合ADS804的接口電路時，需要明確性能要求。如果應用需要交流耦合輸入，還需確定信號施加方式是單端還是差分。差分輸入配置在實現(xiàn)良好的SFDR性能方面具有明顯優(yōu)勢，因為在差分模式下，信號擺幅可降低至單端驅動所需擺幅的一半，同時還能減少偶次諧波。建議的變壓器耦合接口電路中，應設置跨次級側的電阻（$R{T}$）以實現(xiàn)輸入阻抗匹配，例如$R{T}=n^{2} cdot R_{G}$。

2. 參考操作與輸入范圍選擇

ADS804集成了帶隙參考電路，可通過簡單選擇相應的引腳配置提供+1V或+2.5V的參考輸出。也可以使用兩個外部電阻生成不同的參考電壓，以設置內部參考緩沖器的不同增益。為了獲得更高的設計靈活性，還可以關閉內部參考，使用外部參考電壓。在選擇輸入范圍和參考時，可以參考不同的電路示例。例如，當使用內部參考時，有0V至5V、1.5V至3.5V、1V至4V等常見輸入范圍的電路配置；當需要使用外部參考時，可通過將SEL引腳連接到$+V{S}$來關閉內部參考，同時使用外部參考驅動$V{REF}$引腳。

3. 數(shù)字輸入輸出與其他注意事項

• 數(shù)字輸入輸出：ADS804的數(shù)字輸入與CMOS邏輯兼容，數(shù)字輸出與高速TTL和CMOS邏輯家族兼容。數(shù)字輸出的驅動級通過單獨的電源引腳VDRV供電，可通過調整VDRV上的電壓來改變數(shù)字輸出電平，因此可以在+5V模擬電源下工作，同時將數(shù)字輸出連接到3V邏輯。為了保證性能，建議將數(shù)據線上的電容負載保持在盡可能低的水平（≤ 15pF），必要時可使用外部緩沖器或鎖存器，以及在每個數(shù)據線上串聯(lián)電阻，以限制輸出級為寄生電容充電時所需的瞬時電流。
• 接地與去耦：對于高頻設計，正確的接地和旁路、短引線長度以及使用接地平面尤為重要。建議使用多層PCB以獲得最佳性能，因為多層板可以最小化接地阻抗，通過接地層分隔信號層。ADS804的模擬和數(shù)字接地引腳應在IC處連接在一起，并僅連接到系統(tǒng)的模擬地。
• 時鐘輸入要求：時鐘抖動對高速、高分辨率ADC的SNR性能至關重要，它會導致孔徑抖動，增加轉換信號的噪聲。ADS804在CLK輸入的上升沿對輸入信號進行采樣，因此該上升沿應具有盡可能低的抖動?？赏ㄟ^公式$JitterSNR = 20 log frac{1}{2 pi f{IN} t{A}}$計算抖動噪聲對總SNR的貢獻，如果該值接近系統(tǒng)要求，則必須降低輸入時鐘抖動。在欠采樣應用中，應特別注意時鐘抖動，將時鐘輸入視為模擬輸入，以實現(xiàn)最高性能。在高采樣率數(shù)字化時，時鐘應具有50%的占空比（$t{H}=t{L}$），上升和下降時間應小于2ns。

五、總結與展望

ADS804作為一款高性能的12位ADC，憑借其出色的性能指標、靈活的輸入范圍和參考配置、豐富的應用電路選擇以及對各種工作條件的良好適應性，在電子設計領域具有廣泛的應用前景。在實際設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇輸入范圍、參考配置和驅動電路，同時注意接地、去耦和時鐘輸入等方面的要求，以充分發(fā)揮ADS804的性能優(yōu)勢，設計出高質量的電子系統(tǒng)。隨著電子技術的不斷發(fā)展，相信類似ADS804這樣的高性能ADC將在更多領域得到應用，并不斷推動相關技術的進步。你在使用ADS804或其他ADC時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。