德州儀器ADS820：高性能10位20MHz采樣A/D轉換器深度剖析

在電子工程師的日常工作中，選擇一款合適的模數轉換器（A/D）至關重要。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）的ADS820，一款低功耗、高性能的10位、20MHz采樣A/D轉換器。

文件下載：ads820.pdf

一、產品概述

ADS820采用小幾何尺寸CMOS工藝制造，是一款單片式A/D轉換器。它集成了10位量化器、內部跟蹤保持電路、參考電壓源，還具備掉電功能。該轉換器僅需單一的+5V電源供電，并且可以配置為接受差分或單端輸入信號。

（一）主要特性

• 無漏碼：確保轉換結果的準確性和完整性。
• 內部參考電壓：簡化了外部電路設計，提高了系統的穩定性。
• 低差分線性誤差：典型值為±0.15LSB，最大值為±0.2LSB，保證了高精度的轉換。
• 低功耗：僅195mW，適合對功耗要求較高的應用場景。
• 高信噪比（SNR）：可達60dB，能有效減少噪聲干擾，提高信號質量。
• 寬帶跟蹤/保持：帶寬高達65MHz，可處理高頻信號。

（二）應用領域

ADS820的高性能使其在多個領域得到廣泛應用，如機頂盒、電纜調制解調器、視頻數字化、CCD成像、攝像機、復印機、掃描儀、安全攝像頭以及中頻和基帶數字化等。

二、產品規格

（一）絕對最大額定值

在使用ADS820時，必須注意其絕對最大額定值，超過這些額定值可能會導致器件永久性損壞。例如，模擬輸入電壓范圍為+V+300V，邏輯輸入電壓范圍為+VS+400V，結溫最高為150°C，存儲溫度范圍為-65°C至+125°C等。

（二）封裝與訂購信息

ADS820提供SO-28封裝，指定的工作溫度范圍為-40°C至+85°C。具體的訂購信息可參考文檔末尾的封裝選項附錄或TI官網（www.ti.com）。

（三）電氣特性

在TA = +25°C、VS = +5V、采樣率為20MHz、時鐘占空比為50%且上升/下降時間為2ns的條件下，ADS820表現出了優異的電氣性能。例如，分辨率為10位，輸入阻抗為1.25MΩ//4pF，數字輸入邏輯與TTL/HCT兼容的CMOS邏輯，轉換命令為下降沿觸發等。

三、工作原理

（一）采樣與跟蹤保持

ADS820采用全差分架構和數字誤差校正技術，以確保10位的分辨率。其差分跟蹤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；在接下來的時鐘相位φ2，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，完成一次跟蹤保持循環。該電路還可以將單端輸入信號轉換為全差分信號供量化器使用。

（二）流水線量化器架構

ADS820的流水線量化器架構包含九個階段，每個階段包含一個2位量化器和一個2位數字模擬轉換器（DAC）。每個2位量化器階段在子時鐘的邊緣進行轉換，子時鐘頻率是外部時鐘頻率的兩倍。每個量化器的輸出被送入各自的延遲線，以與后續量化器階段產生的數據進行時間對齊。對齊后的數據被送入數字誤差校正電路，該電路可以根據冗余位的信息調整輸出數據，從而保證了ADS820出色的差分線性度和無漏碼特性。

（三）數據延遲

從啟動轉換信號到有效輸出數據存在6.5個時鐘周期的數據延遲。輸出數據可以采用直偏二進制（SOB）或二進制補碼（BTC）格式。

四、模擬輸入與內部參考

（一）輸入配置

ADS820的模擬輸入可以根據信號的性質和所需的性能水平進行多種配置。其內部參考電壓設置了A/D轉換器的滿量程輸入范圍，差分輸入范圍以+2.25V的共模電壓為中心，每個輸入的滿量程范圍為+1.25V至+3.25V，因此量化器的差分輸入信號為4V。

（二）參考電壓

正滿量程參考電壓（REFT）和負滿量程參考電壓（REFB）引出用于外部旁路，共模（CM）電壓可作為參考為驅動電路提供適當的偏移。但需要注意的是，不要過度加載該參考節點，以免影響內部參考梯的線性度。

五、時鐘要求

CLK引腳接受CMOS電平的時鐘輸入，外部施加的轉換命令時鐘的上升沿和下降沿控制流水線中的各個級間轉換。因此，時鐘的占空比應保持在50%，抖動要小，上升和下降時間應在2ns或更短。特別是在對高頻輸入信號進行數字化處理和以最大采樣率工作時，這一點尤為重要。如果占空比偏離50%，會縮短一些級間的建立時間，從而降低信噪比（SNR）和差分非線性（DNL）性能。

六、數字輸出數據

ADS820的10位輸出數據為CMOS邏輯電平。標準輸出編碼為直偏二進制（SOB），當輸入信號為滿量程時，輸出全為“1”。通過將引腳19置為高電平，可以獲得二進制補碼（BTC）輸出，此時最高有效位會被反轉。數字輸出可以通過將OE（引腳18）置為邏輯高電平設置為高阻抗狀態，正常工作時引腳18為低電平或浮空。

七、應用電路設計

（一）驅動電路

• 變壓器耦合：對于交流耦合應用，可以使用變壓器將單端輸入轉換為差分輸入。選擇低失真且在滿量程電壓下不會出現磁芯飽和的變壓器，并將變壓器的中心抽頭連接到+2.25V的共模電壓。同時，要注意將CM輸出引腳的電流消耗保持在0.5μA以下，以避免內部參考梯的非線性。
• 電阻電容網絡：另一種低成本的接口電路是使用電阻和電容代替變壓器。根據信號帶寬，需要仔細選擇組件值，以保持數據手冊中規定的性能。輸入電容和電阻構成高通濾波器，通過增加電阻或電容的值可以降低截止頻率。為了在整個信號頻段內保持低交流耦合阻抗，可以在極化電容上并聯一個小值（如1μF）的陶瓷電容。
• 直流耦合：如果信號需要直流耦合到ADS820的輸入，則需要使用運算放大器輸入電路。在差分輸入模式下，可以使用兩個運算放大器將單端信號轉換為差分信號。

（二）外部參考與滿量程范圍調整

ADS820的內部參考緩沖器輸出電流限制約為1mA，因此可以使用具有至少18mA輸出驅動能力的外部參考來替代內部的+1.25V和+3.25V參考。通過調整外部參考，可以調整增益誤差、改善增益漂移或改變ADS820的滿量程輸入范圍。

（三）PCB布局與旁路

良好的PCB布局對于ADS820的正常工作和頻譜響應至關重要。建議采用多層PCB，將模擬和數字接地引腳直接連接到模擬接地平面，電源引腳應盡可能靠近引腳使用0.1μF的陶瓷電容進行旁路。

八、動態性能測試與定義

（一）測試方法

為了準確測試ADS820的動態性能，需要使用高精度的鎖相信號源，如HP8644A信號發生器和HP8022A脈沖發生器。同時，對測試信號進行低通濾波（或帶通濾波）是必要的，以測試ADS820的低失真特性。使用略低于滿量程的信號幅度可以為噪聲或直流偏置電壓留出一定的余量，避免A/D轉換器過載和信號峰值削波。

（二）性能定義

• 信號與噪聲和失真比（SINAD）：$10 log frac{ Sinewave Signal Power }{ Noise + Harmonic Power (first 15 harmonics) }$
• 信噪比（SNR）：$10 log frac{ Sinewave Signal Power }{ Noise Power }$
• 互調失真（IMD）：$10 log frac{ Highest IMD Pr oduct Power (to 5 th order) }{ Sinewave Signal Power }$

ADS820以其高性能、低功耗和靈活的配置特性，在眾多應用領域展現出了強大的競爭力。作為電子工程師，我們在設計過程中需要充分考慮其各項特性和要求，合理設計應用電路，以確保系統的性能和穩定性。希望通過本文的介紹，能幫助大家更好地了解和使用ADS820這款優秀的A/D轉換器。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。