18位5 MSPS PulSAR差分ADC AD7960深度解析

在電子設計領域，高精度、高速度的模數轉換器（ADC）一直是關鍵組件。今天，我們來深入了解一款來自Analog Devices的18位、5 MSPS PulSAR差分ADC——AD7960，它在多個領域有著廣泛的應用，下面將從特性、工作原理、應用場景等方面進行詳細介紹。

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1. AD7960的特性亮點

1.1 高分辨率與高性能

AD7960具備18位分辨率，且無丟失碼，這意味著它能夠提供非常精確的轉換結果。在AC和DC性能方面表現卓越，動態范圍可達100 dB，信噪比（SNR）為99 dB，總諧波失真（THD）低至 -117 dB，積分非線性（INL）典型值為±0.8 LSB，最大值為±2 LSB，差分非線性（DNL）典型值為±0.5 LSB，最大值為±0.99 LSB。這些出色的指標使得它在對精度要求極高的應用中表現出色。

1.2 寬輸入電壓范圍

其真正的差分模擬輸入電壓范圍為±4.096 V或±5 V，能夠適應不同的輸入信號，為設計提供了更大的靈活性。

1.3 低功耗設計

在不同的工作模式下，AD7960都展現出了良好的功耗特性。例如，在5 MSPS且使用外部參考緩沖器（回波時鐘模式）時，功耗為46.5 mW；使用內部參考緩沖器（回波時鐘模式）時，功耗為64.5 mW；在自時鐘模式（CNV±為CMOS模式）且使用外部參考緩沖器時，功耗為39 mW。這種低功耗設計有助于降低系統的整體功耗，延長設備的續航時間。

1.4 多種工作模式與接口

采用SAR架構，無延遲/流水線延遲，支持外部參考選項，包括2.048 V緩沖至4.096 V（內部參考緩沖器）、4.096 V和5 V。具備串行LVDS接口，支持自時鐘模式和回波時鐘模式，并且CNV±信號可選擇LVDS或CMOS模式進行轉換控制，適用于不同的應用場景和系統架構。

1.5 寬溫度范圍

工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C，能夠在較為惡劣的環境條件下穩定工作，保證了設備的可靠性。

2. 工作原理

2.1 轉換過程

AD7960基于電荷再分配逐次逼近（SAR）架構，其電容式DAC由兩個相同的18位二進制加權電容陣列組成，連接到兩個比較器輸入。在采集階段，電容陣列的端子通過SW+和SW - 連接到GND，所有獨立開關連接到模擬輸入，此時電容陣列作為采樣電容采集IN+和IN - 輸入上的模擬信號。當采集階段完成且CNV±輸入變高時，轉換階段開始。轉換時，SW+和SW - 首先打開，電容陣列與輸入斷開并連接到GND輸入，采集階段結束時捕獲的輸入（IN+和IN -）之間的差分電壓被應用到比較器輸入，使比較器失衡。通過將電容陣列的每個元素在GND和REF（參考電壓）之間切換，比較器輸入以二進制加權電壓步長（VREF/2、VREF/4 … VREF/262,144）變化。控制邏輯首先切換MSB，使比較器恢復平衡，最終生成ADC輸出代碼。

2.2 數據傳輸

AD7960的數字接口使用低電壓差分信號（LVDS）實現高速數據傳輸。轉換結果在tMSB（從轉換開始到MSB可用的時間）過后可供讀取，用戶需要向AD7960施加突發LVDS CLK±信號將數據傳輸到數字主機。CLK±信號將ADC轉換結果輸出到數據輸出D±。

3. 典型應用場景

3.1 數字成像系統

在數字X射線、計算機斷層掃描（CT）和紅外（IR）相機等數字成像系統中，AD7960的高分辨率、低噪聲和高速度特性能夠滿足對圖像質量和數據采集速度的要求，有助于提高成像的清晰度和準確性。

3.2 高速數據采集

在需要高速采集數據的應用中，如光譜學、測試設備等，AD7960的5 MSPS吞吐量能夠快速準確地采集數據，為后續的分析和處理提供可靠的數據基礎。

3.3 MRI梯度控制

在磁共振成像（MRI）系統中，AD7960可用于梯度控制，其高精度和低噪聲特性有助于提高MRI圖像的質量和穩定性。

4. 電壓參考選項

AD7960允許對參考電壓進行緩沖，有三種外部參考使用選項：

• 外部緩沖的5 V參考源應用于REF引腳。
• 外部緩沖的4.096 V參考源應用于REF引腳。
• 2.048 V外部參考應用于REFIN引腳（高阻抗輸入），片上緩沖器將其增益2倍并驅動REF引腳輸出4.096 V。

通過EN1和EN0引腳可以控制不同的參考選項，EN2控制 -3 dB輸入帶寬，EN3控制VCM參考輸出。使用5 V外部電壓參考選項可實現最佳的SNR和動態范圍性能，約提高1.7 dB。

5. 電源與布局注意事項

5.1 電源

AD7960使用5 V（VDD1）、1.8 V（VDD2）電源以及數字輸入/輸出接口電源（VIO）。建議使用Analog Devices的LDO（如ADP7104 - 5和ADP124 - 1.8）來生成所需電源。在電源上電時，應先給核心電源（1.8 V）上電，然后再給5 V電源上電，最后施加模擬輸入。

5.2 布局

在設計印刷電路板時，應將模擬和數字部分分開，避免數字線路在器件下方布線，防止噪聲耦合。不要在模擬信號路徑附近運行快速開關信號，避免數字和模擬信號交叉。使用至少一個接地平面，可以是公共的或在數字和模擬部分之間分開，在AD7960器件下方連接這些平面。同時，要對REF引腳進行去耦，將參考去耦陶瓷電容靠近REF和REF_GND引腳放置，并使用寬而低阻抗的走線連接。對VDD1、VDD2和VIO電源使用陶瓷電容（通常為100 nF）進行去耦，放置在靠近AD7960的位置，并使用短而寬的走線連接，以提供低阻抗路徑并減少電源線上的干擾。

6. 數字接口與轉換控制

6.1 轉換控制

所有模數轉換由CNV±信號控制，該信號可以是CNV +/CNV - LVDS信號，也可以是當CNV - 接地時施加到CNV +引腳的1.8 V CMOS邏輯信號。轉換由CNV±信號的上升沿啟動。

6.2 數字接口模式

• 回波時鐘接口模式：該模式只需要數字主機上的一個移位寄存器，適用于多種數字主機（如FPGA、移位寄存器和微處理器）。需要三個LVDS對（D±、CLK±和DCO±）。時鐘DCO±是CLK±的緩沖副本，與數據D±同步，數據在DCO±的下降沿更新。轉換由CNV±脈沖的上升沿啟動，在轉換期間忽略額外的CNV±脈沖。tMSB過后，主機開始發送CLK±脈沖，在tCLKL之前完成18個CLK±脈沖的發送，否則數據會丟失。
• 自時鐘模式：該模式將ADC和數字主機之間的走線數量減少到兩個LVDS對（CLK±和D±），多個AD7960設備可以共享一個公共的CLK±信號。每個ADC數據字前面有一個010頭序列，用于在數字主機中同步D±數據。轉換由CNV±脈沖啟動，tMSB過后，主機開始發送CLK±信號，必須在tMSB和后續的tCLKL之間完成20個CLK±脈沖的發送，否則數據會被覆蓋。

7. 總結

AD7960作為一款高性能的18位、5 MSPS PulSAR差分ADC，憑借其高分辨率、低功耗、多種工作模式和接口等特性，在數字成像、高速數據采集、MRI梯度控制等多個領域有著廣泛的應用前景。在設計過程中，合理選擇電壓參考選項、注意電源和布局，正確使用數字接口和轉換控制模式，能夠充分發揮AD7960的性能優勢，為電子系統的設計帶來更高的精度和可靠性。各位電子工程師在實際應用中，不妨根據具體需求，深入挖掘AD7960的潛力，創造出更優秀的設計作品。