Texas Instruments ADS802：12位、10MHz采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器的全方位解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。Texas Instruments的ADS802作為一款高性能的12位、10MHz采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，在眾多設(shè)計(jì)中備受青睞。今天，我們就來(lái)深入探討一下這款A(yù)DS802的方方面面。

文件下載：ads802.pdf

一、產(chǎn)品概述

ADS802是一款采用小幾何尺寸CMOS工藝的低功耗單片12位、10MHz模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它集成了12位量化器、寬帶跟蹤保持電路、參考電壓源和三態(tài)輸出，僅需單一+5V電源供電，并且可以配置為接受差分或單端輸入信號(hào)。該轉(zhuǎn)換器適用于中頻和基帶數(shù)字化、數(shù)據(jù)采集卡、測(cè)試儀器、CCD成像、復(fù)印機(jī)、掃描儀、相機(jī)、視頻數(shù)字化以及伽馬相機(jī)等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

二、產(chǎn)品特性

2.1 高精度與高性能

• 無(wú)丟失碼：確保了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，避免了因丟失碼而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差。
• 低功耗：僅250mW的功耗，在保證高性能的同時(shí)，降低了系統(tǒng)的整體功耗，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用。
• 內(nèi)部參考電壓：提供穩(wěn)定的參考電壓，減少了外部參考電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
• 寬帶跟蹤保持電路：帶寬高達(dá)65MHz，能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤輸入信號(hào)的變化，保證了在高頻信號(hào)下的轉(zhuǎn)換精度。

2.2 靈活的輸入配置

支持差分和單端輸入信號(hào)配置，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行靈活選擇，提高了產(chǎn)品的適用性。

2.3 出色的動(dòng)態(tài)性能

• 高信噪比（SNR）：在不同的輸入頻率下，都能保持較高的信噪比，有效降低了噪聲對(duì)信號(hào)的干擾。
• 低失真：減少了信號(hào)失真，保證了轉(zhuǎn)換后的信號(hào)質(zhì)量。
• 高過(guò)采樣能力：為電信、測(cè)試儀器和視頻應(yīng)用提供了額外的性能裕量。

三、電氣特性

3.1 分辨率與輸入范圍

• 分辨率：12位分辨率，能夠提供更精細(xì)的信號(hào)量化結(jié)果。
• 差分全量程輸入范圍：為+1.25V至+3.25V，共模電壓為+2.25V，滿足了大多數(shù)應(yīng)用的輸入要求。

3.2 帶寬與輸入阻抗

• 模擬輸入帶寬：-3dB帶寬為400MHz，小信號(hào)全功率輸入帶寬為65MHz，能夠處理高頻信號(hào)。
• 輸入阻抗：輸入阻抗為1.25MΩ，電容為4pF，減少了對(duì)輸入信號(hào)的負(fù)載影響。

3.3 動(dòng)態(tài)特性

• 差分線性誤差：在不同的輸入頻率下，差分線性誤差都能控制在較小范圍內(nèi)，保證了線性度。
• 無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）：在500kHz和5MHz輸入頻率下，SFDR分別達(dá)到77dBFS和67dBFS，有效抑制了雜散信號(hào)。

四、工作原理

4.1 跟蹤保持電路

ADS802采用了全差分架構(gòu)的跟蹤保持電路，由內(nèi)部時(shí)鐘控制開(kāi)關(guān)的切換。在采樣時(shí)刻，輸入信號(hào)被采樣到輸入電容的底板上；在下一個(gè)時(shí)鐘相位，輸入電容的底板連接在一起，反饋電容切換到運(yùn)算放大器的輸出，完成一次跟蹤保持循環(huán)。該電路還能將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為全差分信號(hào)供量化器處理。

4.2 流水線量化器架構(gòu)

流水線量化器架構(gòu)包含11個(gè)階段，每個(gè)階段包含一個(gè)2位量化器和一個(gè)2位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。每個(gè)2位量化器階段在子時(shí)鐘的邊沿進(jìn)行轉(zhuǎn)換，子時(shí)鐘頻率是外部時(shí)鐘頻率的兩倍。量化器的輸出經(jīng)過(guò)延遲線對(duì)齊后，輸入到數(shù)字誤差校正電路，根據(jù)冗余位的信息調(diào)整輸出數(shù)據(jù)，從而保證了出色的差分線性度和無(wú)丟失碼。

4.3 數(shù)據(jù)延遲

由于每個(gè)外部時(shí)鐘周期有兩個(gè)流水線階段，從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)到有效輸出數(shù)據(jù)存在6.5個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)延遲。輸出數(shù)據(jù)可以采用直偏移二進(jìn)制（SOB）或二進(jìn)制補(bǔ)碼（BTC）格式。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5.1 模擬輸入與驅(qū)動(dòng)電路

• 輸入配置：ADS802的模擬輸入可以根據(jù)信號(hào)的性質(zhì)和性能要求進(jìn)行多種配置。差分輸入范圍以+2.25V共模電壓為中心，每個(gè)輸入的全量程范圍為+1.25V至+3.25V。
• 驅(qū)動(dòng)電路：對(duì)于交流耦合應(yīng)用，可以使用變壓器將單端輸入轉(zhuǎn)換為差分輸入，選擇低失真、無(wú)磁芯飽和的變壓器，并注意控制共模輸出引腳的電流。也可以使用電阻和電容組成的低成本接口電路，但需要根據(jù)信號(hào)帶寬仔細(xì)選擇元件值。對(duì)于直流耦合應(yīng)用，需要使用運(yùn)算放大器輸入電路將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。

5.2 外部參考與滿量程范圍調(diào)整

內(nèi)部參考緩沖器的輸出電流限制約為1mA，可以使用具有至少18mA輸出驅(qū)動(dòng)能力的外部參考源來(lái)覆蓋內(nèi)部+1.25V和+3.25V參考電壓。通過(guò)調(diào)整外部參考電壓，可以調(diào)整增益誤差、改善增益漂移或改變滿量程輸入范圍。

5.3 PCB布局與旁路

良好的PCB布局對(duì)于保證ADS802的正常運(yùn)行和頻譜響應(yīng)至關(guān)重要。建議使用多層PCB，將模擬和數(shù)字接地引腳直接連接到模擬接地平面，電源引腳使用0.1μF陶瓷電容進(jìn)行旁路。

5.4 時(shí)鐘要求

CLK引腳接受CMOS電平的時(shí)鐘輸入，時(shí)鐘的占空比應(yīng)保持在50%，上升和下降時(shí)間應(yīng)小于2ns，低抖動(dòng)的時(shí)鐘對(duì)于高頻輸入信號(hào)的數(shù)字化和最大采樣率下的性能至關(guān)重要。

5.5 數(shù)字輸出數(shù)據(jù)

12位輸出數(shù)據(jù)以CMOS邏輯電平提供，標(biāo)準(zhǔn)輸出編碼為直偏移二進(jìn)制（SOB），通過(guò)控制引腳19的電平可以選擇二進(jìn)制補(bǔ)碼（BTC）輸出。數(shù)字輸出可以通過(guò)OE引腳設(shè)置為高阻態(tài)，用于測(cè)試目的。

六、動(dòng)態(tài)性能測(cè)試與定義

6.1 測(cè)試要點(diǎn)

為了準(zhǔn)確測(cè)試ADS802的動(dòng)態(tài)性能，需要使用高精度的鎖相信號(hào)源，避免使用數(shù)據(jù)加窗函數(shù)。低抖動(dòng)的信號(hào)發(fā)生器和脈沖發(fā)生器配合使用，對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行低通或帶通濾波，選擇略低于滿量程的信號(hào)幅度，以避免信號(hào)峰值削波。

6.2 性能定義

• 信號(hào)與噪聲和失真比（SINAD）：衡量信號(hào)功率與噪聲和前15次諧波功率之和的比值。
• 信噪比（SNR）：衡量信號(hào)功率與噪聲功率的比值。
• 互調(diào)失真（IMD）：衡量最高階互調(diào)產(chǎn)物功率與正弦波信號(hào)功率的比值，參考較大的測(cè)試信號(hào)。

七、總結(jié)

ADS802作為一款高性能的12位、10MHz采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，憑借其高精度、低功耗、靈活的輸入配置和出色的動(dòng)態(tài)性能，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇輸入配置、驅(qū)動(dòng)電路、外部參考和PCB布局等，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中，要注意測(cè)試方法和信號(hào)源的選擇，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。希望本文能為電子工程師在使用ADS802進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供一些有益的參考。你在使用ADS802的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。