探索ADS900：高速10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的卓越性能與應(yīng)用

在電子工程領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的橋梁，其性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度和效率。今天，我們要詳細(xì)探討德州儀器（TI）的ADS900，一款具有高采樣速率和出色性能的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

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一、ADS900概述

ADS900屬于Burr - Brown產(chǎn)品線，是一款高速流水線式模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它在設(shè)計(jì)上集成了高帶寬采樣保持電路、10位量化器以及內(nèi)部參考電路，工作電壓范圍為 +2.7V至 +3.7V，非常適合低功耗應(yīng)用。其采用SSOP - 28封裝，小巧的體積讓它在空間有限的設(shè)計(jì)中也能游刃有余。

（一）主要特性

• 寬電源范圍：支持 +2.7V至 +3.7V的電源電壓，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 低功耗：在 +3V供電時(shí)，功耗僅為52mW，有效降低了系統(tǒng)的整體功耗。
• 高帶寬采樣保持：擁有350MHz的帶寬，可快速準(zhǔn)確地采集輸入信號(hào)。
• 出色的線性度：采用數(shù)字誤差校正技術(shù)，確保在成像等應(yīng)用中具有優(yōu)秀的差分線性度。
• 低失真和高信噪比：為電信、視頻和測(cè)試儀器等應(yīng)用提供了額外的性能余量。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

ADS900的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了便攜式儀器、中頻和基帶通信、電纜調(diào)制解調(diào)器、機(jī)頂盒、便攜式測(cè)試設(shè)備以及計(jì)算機(jī)掃描儀等領(lǐng)域。

二、關(guān)鍵參數(shù)與性能指標(biāo)

（一）絕對(duì)最大額定值

在使用ADS900時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值。例如，模擬輸入電壓不能超過(guò)電源電壓 +0.3V，邏輯輸入電壓同理，芯片的工作溫度范圍也有明確限制。此外，該集成電路對(duì)靜電放電（ESD）敏感，在操作過(guò)程中需要采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施。

（二）電氣特性

• 分辨率：指定溫度范圍為 -40°C至 +85°C，分辨率為10位，能滿足大多數(shù)中等精度的應(yīng)用需求。
• 模擬輸入：?jiǎn)味藵M量程輸入范圍為1V至2V，差分滿量程輸入范圍為0.5Vp - p×2。輸入阻抗高達(dá)5MΩ，輸入偏置電流僅為5pA。
• 數(shù)字輸入：邏輯電平兼容TTL/HCT和CMOS，高輸入電壓為2.0V，低輸入電流為5pA。
• 轉(zhuǎn)換特性：采樣速率為20M Samples/s，數(shù)據(jù)延遲為5個(gè)時(shí)鐘周期，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)的上升沿觸發(fā)轉(zhuǎn)換。

（三）動(dòng)態(tài)特性

• 差分線性誤差：在不同頻率下表現(xiàn)出色，如在f = 500kHz時(shí)，最大誤差為 ±0.7 LSBs；在f = 10MHz時(shí)，最大誤差為 ±1.0 LSBs。
• 無(wú)失碼：保證在10位分辨率下無(wú)失碼現(xiàn)象，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
• 信噪失真比（SINAD）：在f = 500kHz， - 1dBFS輸入時(shí)，SINAD可達(dá)49dB，能有效還原輸入信號(hào)。

（四）數(shù)字輸出

數(shù)字輸出為CMOS邏輯電平，采用直偏移二進(jìn)制編碼。高輸出電壓VOH為 +2.4V，低輸出電壓VOL為 +0.4V。通過(guò)驅(qū)動(dòng)OE引腳為高電平，可將數(shù)字輸出設(shè)置為高阻態(tài)，方便進(jìn)行測(cè)試。

（五）電源要求

電源電壓范圍為 +2.7V至 +3.7V，工作電流在18mA至22mA之間，功耗在52mW至66mW之間。在掉電模式下，功耗可降至10mW，進(jìn)一步節(jié)省能源。

三、工作原理

（一）采樣保持電路

ADS900的采樣保持電路由內(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φ2時(shí)鐘相位，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，完成一次采樣保持周期。該電路將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為全差分信號(hào)，提高了信噪比。

（二）流水線量化器

流水線量化器架構(gòu)包含9個(gè)階段，每個(gè)階段由一個(gè)2位量化器和一個(gè)2位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）組成。每個(gè)2位量化器在子時(shí)鐘的邊沿進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲線與后續(xù)量化器的輸出進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊，然后通過(guò)數(shù)字誤差校正電路調(diào)整輸出數(shù)據(jù)，保證了10位分辨率下的出色線性度和無(wú)失碼特性。

四、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）模擬輸入驅(qū)動(dòng)

• 交流耦合單端接口電路：可使用高速運(yùn)算放大器（如OPA650、OPA658、OPA680和OPA681）構(gòu)建交流耦合單端接口電路。通過(guò)電容C1和電阻R1組成的高通濾波器，可設(shè)置 - 3dB頻率。內(nèi)部參考電路提供的中點(diǎn)電壓可用于偏置輸入信號(hào)。
• 單電源應(yīng)用電路：在單電源應(yīng)用中，可使用電容和電阻調(diào)整運(yùn)算放大器的直流增益，同時(shí)使用電阻RS隔離運(yùn)算放大器的輸出和容性負(fù)載，避免增益峰值或振蕩。

（二）數(shù)字輸出數(shù)據(jù)

• 數(shù)據(jù)格式：10位輸出數(shù)據(jù)采用直偏移二進(jìn)制編碼，從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)到有效輸出數(shù)據(jù)有5.0個(gè)時(shí)鐘周期的延遲。
• 高阻態(tài)控制：通過(guò)驅(qū)動(dòng)OE引腳為高電平，可將數(shù)字輸出設(shè)置為高阻態(tài)，但不建議動(dòng)態(tài)使用該功能。同時(shí)，數(shù)字輸出的容性負(fù)載應(yīng)保持在15pF以下。

（三）差分模式操作

在差分配置下，ADS900的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）和總諧波失真（THD）性能會(huì)有一定提升。可使用帶中心抽頭的RF變壓器將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，直接與ADS900接口。變壓器能在不增加噪聲和失真的情況下提升信號(hào)幅度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)前端與轉(zhuǎn)換器的電氣隔離。

（四）內(nèi)部參考

ADS900的內(nèi)部參考電路為內(nèi)部各級(jí)提供固定的參考電壓。通過(guò)在引腳21和25連接外部旁路電容（通常為0.1μF），可提高性能。但要注意，引腳23提供的 +1.0V電壓未經(jīng)過(guò)緩沖，使用時(shí)需謹(jǐn)慎。

（五）時(shí)鐘輸入要求

時(shí)鐘輸入支持 +5V或 +3V的CMOS邏輯電平。為了實(shí)現(xiàn)最小的占空比變化和最大采樣速率（20Msps），建議使用高速或先進(jìn)的CMOS邏輯（如HC/HCT、AC/ACT）。在高采樣速率下，推薦50%的占空比和快速的上升/下降時(shí)間（2ns或更短）。同時(shí)，要特別注意時(shí)鐘抖動(dòng)，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致孔徑抖動(dòng)，影響信噪比性能。

（六）數(shù)字輸出接口

數(shù)字輸出為標(biāo)準(zhǔn)CMOS級(jí)，兼容高速TTL和CMOS邏輯系列。通過(guò)調(diào)整LVDD引腳的電壓，可改變數(shù)字輸出電平。為了控制容性負(fù)載，建議將扇出限制為1。必要時(shí)，可使用外部緩沖器或鎖存器隔離ADC與總線的數(shù)字活動(dòng)，避免高頻噪聲影響性能。

（七）掉電模式

通過(guò)將Power Down引腳（Pin 17）置為高電平，可啟動(dòng)掉電模式，此時(shí)電源電流可降低約70%。掉電期間，數(shù)字輸出設(shè)置為三態(tài)，轉(zhuǎn)換器不處理采樣信號(hào)。移除掉電條件后，接下來(lái)的5個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)輸出數(shù)據(jù)無(wú)效。

（八）去耦和接地考慮

ADS900有多個(gè)電源引腳，其中一個(gè)專門為輸出驅(qū)動(dòng)器供電。由于芯片內(nèi)部模擬和數(shù)字電源引腳相連，建議將其視為模擬組件，僅使用模擬電源供電。為了減少電源和參考線上的高頻瞬變和噪聲，需要在電源和參考引腳處進(jìn)行充分的旁路。通常，使用0.1μF的陶瓷芯片電容，并將其盡可能靠近電源引腳放置。

五、總結(jié)

ADS900作為一款高性能的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，憑借其高速、低功耗、出色的線性度和高信噪比等特性，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中展現(xiàn)出強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。在設(shè)計(jì)使用ADS900時(shí)，工程師需要充分考慮其各項(xiàng)參數(shù)和應(yīng)用要點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)外圍電路，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用類似ADC時(shí)遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。