探索ADS900：高速10位模數轉換器的卓越性能與應用

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

文件下載：ads900.pdf

一、ADS900概述

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

（一）主要特性

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

（二）應用領域

ADS900的應用范圍廣泛，涵蓋了便攜式儀器、中頻和基帶通信、電纜調制解調器、機頂盒、便攜式測試設備以及計算機掃描儀等領域。

二、關鍵參數與性能指標

（一）絕對最大額定值

在使用ADS900時，需要注意其絕對最大額定值。例如，模擬輸入電壓不能超過電源電壓 +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，該集成電路對靜電放電（ESD）敏感，在操作過程中需要采取適當的防靜電措施。

（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，能滿足大多數中等精度的應用需求。
• 模擬輸入：單端滿量程輸入范圍為1V至2V，差分滿量程輸入范圍為0.5Vp - p×2。輸入阻抗高達5MΩ，輸入偏置電流僅為5pA。
• 數字輸入：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。
• 轉換特性：采樣速率為20M Samples/s，數據延遲為5個時鐘周期，啟動轉換信號的上升沿觸發轉換。

（三）動態特性

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

（四）數字輸出

數字輸出為CMOS邏輯電平，采用直偏移二進制編碼。高輸出電壓VOH為 +2.4V，低輸出電壓VOL為 +0.4V。通過驅動OE引腳為高電平，可將數字輸出設置為高阻態，方便進行測試。

（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，進一步節省能源。

三、工作原理

（一）采樣保持電路

ADS900的采樣保持電路由內部時鐘控制，時鐘信號為非重疊的兩相信號φ1和φ2。在采樣時刻，輸入信號被采樣到輸入電容的下極板；在φ2時鐘相位，輸入電容的下極板連接在一起，反饋電容切換到運算放大器的輸出，完成一次采樣保持周期。該電路將單端輸入信號轉換為全差分信號，提高了信噪比。

（二）流水線量化器

流水線量化器架構包含9個階段，每個階段由一個2位量化器和一個2位數模轉換器（DAC）組成。每個2位量化器在子時鐘的邊沿進行轉換，輸出信號經過延遲線與后續量化器的輸出進行時間對齊，然后通過數字誤差校正電路調整輸出數據，保證了10位分辨率下的出色線性度和無失碼特性。

四、應用設計要點

（一）模擬輸入驅動

• 交流耦合單端接口電路：可使用高速運算放大器（如OPA650、OPA658、OPA680和OPA681）構建交流耦合單端接口電路。通過電容C1和電阻R1組成的高通濾波器，可設置 - 3dB頻率。內部參考電路提供的中點電壓可用于偏置輸入信號。
• 單電源應用電路：在單電源應用中，可使用電容和電阻調整運算放大器的直流增益，同時使用電阻RS隔離運算放大器的輸出和容性負載，避免增益峰值或振蕩。

（二）數字輸出數據

• 數據格式：10位輸出數據采用直偏移二進制編碼，從啟動轉換信號到有效輸出數據有5.0個時鐘周期的延遲。
• 高阻態控制：通過驅動OE引腳為高電平，可將數字輸出設置為高阻態，但不建議動態使用該功能。同時，數字輸出的容性負載應保持在15pF以下。

（三）差分模式操作

在差分配置下，ADS900的無雜散動態范圍（SFDR）和總諧波失真（THD）性能會有一定提升。可使用帶中心抽頭的RF變壓器將單端信號轉換為差分信號，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幅度，同時實現前端與轉換器的電氣隔離。

（四）內部參考

ADS900的內部參考電路為內部各級提供固定的參考電壓。通過在引腳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電壓未經過緩沖，使用時需謹慎。

（五）時鐘輸入要求

時鐘輸入支持 +5V或 +3V的CMOS邏輯電平。為了實現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/下降時間（2ns或更短）。同時，要特別注意時鐘抖動，因為它會導致孔徑抖動，影響信噪比性能。

（六）數字輸出接口

數字輸出為標準CMOS級，兼容高速TTL和CMOS邏輯系列。通過調整LVDD引腳的電壓，可改變數字輸出電平。為了控制容性負載，建議將扇出限制為1。必要時，可使用外部緩沖器或鎖存器隔離ADC與總線的數字活動，避免高頻噪聲影響性能。

（七）掉電模式

通過將Power Down引腳（Pin 17）置為高電平，可啟動掉電模式，此時電源電流可降低約70%。掉電期間，數字輸出設置為三態，轉換器不處理采樣信號。移除掉電條件后，接下來的5個時鐘周期內輸出數據無效。

（八）去耦和接地考慮

ADS900有多個電源引腳，其中一個專門為輸出驅動器供電。由于芯片內部模擬和數字電源引腳相連，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

ADS900作為一款高性能的10位模數轉換器，憑借其高速、低功耗、出色的線性度和高信噪比等特性，在眾多應用領域中展現出強大的競爭力。在設計使用ADS900時，工程師需要充分考慮其各項參數和應用要點，合理設計外圍電路，以確保系統的性能和穩定性。你在使用類似ADC時遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。