德州儀器ADS901：10位20MHz模數轉換器的深度剖析

在電子工程師的日常工作中，模數轉換器（ADC）是一個至關重要的組件，它能夠將模擬信號轉換為數字信號，廣泛應用于各種電子設備中。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（Texas Instruments）的ADS901，這是一款高性能的10位、20MHz、+3V供電的模數轉換器。

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一、ADS901概述

1.1 產品特性

ADS901具有眾多出色的特性，使其在眾多應用場景中脫穎而出。它采用+3V電源供電，功耗低至48mW，電源范圍為+2.7V至+3.7V，能夠適應不同的電源環境。通過外部參考可調節滿量程范圍，且無漏碼現象，保證了轉換的準確性。其寬帶跟蹤/保持電路帶寬高達350MHz，還具備15mW的低功耗掉電模式，采用SSOP - 28封裝，體積小巧，便于集成。

1.2 產品描述

ADS901是一款高速流水線式模數轉換器，包含寬帶跟蹤/保持電路和10位量化器。它采用數字誤差校正技術，為要求苛刻的成像應用提供出色的差分線性度。低失真和高信噪比使其適用于電信、視頻和測試儀器等應用。

二、關鍵參數與性能指標

2.1 絕對最大額定值

在使用ADS901時，需要注意其絕對最大額定值，以避免對芯片造成損壞。例如，電源電壓為+5 - 6V，模擬輸入電壓為VS + 0.3V，邏輯輸入電壓為+VS + 0.3V，結溫為+150°C，存儲溫度為 - 40°C至+125°C等。同時，該集成電路對靜電放電（ESD）敏感，德州儀器建議采取適當的防靜電措施。

2.2 電氣特性

ADS901的電氣特性在不同的條件下表現出色。在TA = +25°C、VS = LVDD = +3V、REFB = 1V、REFT = 2V、指定輸入范圍為1V至2V、采樣率為20MHz的條件下，其分辨率為10位，指定溫度范圍為 - 40°C至+85°C。在動態特性方面，不同頻率下的差分線性誤差、積分非線性誤差、無雜散動態范圍、信噪比等指標都表現良好。例如，在f = 500kHz時，無雜散動態范圍可達50dBFS，信噪比可達53dB。

三、引腳配置與功能

3.1 引腳配置

ADS901采用SSOP - 28封裝，引腳分布合理。其引腳包括模擬電源引腳（+VS）、輸出邏輯驅動電源引腳（LVDD）、數據位引腳（Bit1 - Bit10）、模擬地引腳（GND）、轉換時鐘輸入引腳（CLK）、輸出使能引腳（OE）、掉電引腳（Pwrdn）等。

3.2 引腳功能

每個引腳都有其特定的功能。例如，CLK引腳用于輸入轉換時鐘信號，控制轉換的時序；OE引腳用于控制輸出使能，當為低電平時，數字輸出正常工作；Pwrdn引腳用于控制掉電模式，當為高電平時，芯片進入低功耗掉電模式。

四、工作原理

4.1 采樣與跟蹤/保持

ADS901利用流水線架構進行高速采樣。其差分跟蹤/保持電路由內部時鐘控制，通過非重疊的兩相信號φ1和φ2控制開關。在采樣時刻，輸入信號被采樣到輸入電容的底板上，在下一個時鐘相位φ1，輸入電容的底板連接在一起，反饋電容切換到運算放大器的輸出，完成一次跟蹤/保持周期。

4.2 量化與數字誤差校正

流水線量化器架構有9個階段，每個階段包含一個兩位量化器和一個兩位數模轉換器。每個兩位量化器階段在子時鐘的邊緣進行轉換，輸出數據通過延遲線進行時間對齊，然后輸入到數字誤差校正電路，該電路可以根據冗余位的信息調整輸出數據，保證了10位級別的差分線性度和無漏碼。

4.3 共模電壓與輸出編碼

為了適應雙極性信號擺動，ADS901使用由外部參考得出的共模電壓（VCM），VCM = (REFT + REFB) / 2。從啟動轉換信號到有效輸出數據有5.0個時鐘周期的數據延遲，標準輸出編碼為直偏移二進制，滿量程輸入信號對應輸出全為“1”。

五、應用與設計考慮

5.1 信號擺動與共模考慮

ADS901設計用于+3V單電源電壓，標稱輸入信號擺動為1Vp - p，位于+1V和+2V之間，信號圍繞+1.5V的共模電壓擺動±0.5V。在某些應用中，可以適當增加輸入信號擺動以提高信噪比，但需要注意保持信號擺動在驅動電路的線性工作范圍內，避免過度失真。

5.2 驅動電路設計

5.2.1 AC - 耦合驅動電路

在AC - 耦合驅動電路中，輸入耦合電容C1和電阻R1形成高通濾波器，輸入阻抗由R1定義。在單電源應用中，通過電容CG設置非反相運算放大器輸入的直流增益為+1V/V，修改傳輸函數。電阻RS用于隔離運算放大器的輸出和電容負載，避免增益峰值或振蕩。

5.2.2 DC - 耦合接口電路

對于DC - 耦合配置，如使用OPA632作為驅動電路，其具有寬輸入和輸出電壓范圍、低失真的特點，能夠很好地支持ADS901。通過輸入級的電阻進行電平轉換，使輸入電壓在0V至5V之間時，輸出電壓在1V至2V之間，滿足ADS901的輸入要求。

5.3 外部參考設計

5.3.1 低成本參考解決方案

將ADS901的參考梯形電阻放置在電源軌之間，通過兩個額外的電阻（RT，RB）設置通過梯形電阻的正確電流。但這種方法會因組件公差和電源變化導致參考電壓變化，建議使用至少0.1μF的陶瓷電容對參考梯形電阻進行旁路，以減少高頻瞬態噪聲和提供瞬時電流。

5.3.2 精確參考解決方案

對于需要更高直流精度和漂移的應用，可以使用具有精密參考元件的參考電路，如使用REF1004 - 1.2建立穩定的+1.2V參考電壓，通過通用單電源雙運算放大器（如OPA2237、OPA2234或OPA2343）生成所需的參考電壓。

5.4 時鐘輸入與數字輸出

5.4.1 時鐘輸入

ADS901的時鐘輸入設計支持+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率（20Msps），建議使用高速或先進的CMOS邏輯。在高采樣率數字化時，推薦使用50%占空比、快速上升和下降時間（2ns或更短）的時鐘，以滿足額定性能規格。

5.4.2 數字輸出

ADS901的數字輸出有5.0個時鐘周期的數據延遲，標準輸出編碼為直偏移二進制。數字輸出可以通過將三態引腳（引腳16）驅動為邏輯“HI”設置為高阻抗狀態，正常操作時引腳16為“LO”或浮空。數字輸出是標準的CMOS級，與高速TTL和CMOS邏輯系列兼容，使用專用的數字電源引腳（引腳2，LVDD），通過調整LVDD上的電壓可以改變數字輸出電平。

5.5 掉電模式與去耦接地

5.5.1 掉電模式

通過將Pwrdn引腳（引腳17）連接到邏輯“High”，可以將ADS901的功耗進一步降低約70%。在正常操作中，內部下拉電阻（50kΩ）禁用掉電模式。

5.5.2 去耦接地

ADS901有多個電源引腳，建議將其視為模擬組件，僅從模擬電源供電，以避免數字電源線上的高噪聲耦合到轉換器中。同時，需要對電源和參考引腳進行充分的旁路，使用0.1μF的陶瓷芯片電容，且應盡可能靠近電源引腳放置，以降低寬頻率范圍內的阻抗。

六、總結

ADS901作為一款高性能的模數轉換器，具有低功耗、高速度、高精度等優點，適用于多種應用場景。在設計過程中，需要充分考慮其各項參數和性能指標，合理設計驅動電路、外部參考電路、時鐘輸入和數字輸出等部分，同時注意去耦接地和掉電模式的使用，以確保其性能的穩定和可靠。希望本文對電子工程師在使用ADS901進行設計時有所幫助，你在實際應用中是否遇到過類似ADC的設計挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。