德州儀器ADS820：高性能10位20MHz采樣A/D轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）至關(guān)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(zhuǎn)換器。

文件下載：ads820.pdf

一、產(chǎn)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(zhuǎn)換器。它集成了10位量化器、內(nèi)部跟蹤保持電路、參考電壓源，還具備掉電功能。該轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整性。
• 內(nèi)部參考電壓：簡化了外部電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)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(zhuǎn)換。
• 低功耗：僅195mW，適合對功耗要求較高的應(yīng)用場景。
• 高信噪比（SNR）：可達(dá)60dB，能有效減少噪聲干擾，提高信號質(zhì)量。
• 寬帶跟蹤/保持：帶寬高達(dá)65MHz，可處理高頻信號。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

ADS820的高性能使其在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如機頂盒、電纜調(diào)制解調(diào)器、視頻數(shù)字化、CCD成像、攝像機、復(fù)印機、掃描儀、安全攝像頭以及中頻和基帶數(shù)字化等。

二、產(chǎn)品規(guī)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(dǎo)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(jié)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(wǎng)（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(xiàn)出了優(yōu)異的電氣性能。例如，分辨率為10位，輸入阻抗為1.25MΩ//4pF，數(shù)字輸入邏輯與TTL/HCT兼容的CMOS邏輯，轉(zhuǎn)換命令為下降沿觸發(fā)等。

三、工作原理

（一）采樣與跟蹤保持

ADS820采用全差分架構(gòu)和數(shù)字誤差校正技術(shù)，以確保10位的分辨率。其差分跟蹤保持電路由內(nèi)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(huán)。該電路還可以將單端輸入信號轉(zhuǎn)換為全差分信號供量化器使用。

（二）流水線量化器架構(gòu)

ADS820的流水線量化器架構(gòu)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(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）。每個2位量化器階段在子時鐘的邊緣進(jìn)行轉(zhuǎn)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(xù)量化器階段產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行時間對齊。對齊后的數(shù)據(jù)被送入數(shù)字誤差校正電路，該電路可以根據(jù)冗余位的信息調(diào)整輸出數(shù)據(jù)，從而保證了ADS820出色的差分線性度和無漏碼特性。

（三）數(shù)據(jù)延遲

從啟動轉(zhuǎn)換信號到有效輸出數(shù)據(jù)存在6.5個時鐘周期的數(shù)據(jù)延遲。輸出數(shù)據(jù)可以采用直偏二進(jìn)制（SOB）或二進(jìn)制補碼（BTC）格式。

四、模擬輸入與內(nèi)部參考

（一）輸入配置

ADS820的模擬輸入可以根據(jù)信號的性質(zhì)和所需的性能水平進(jìn)行多種配置。其內(nèi)部參考電壓設(shè)置了A/D轉(zhuǎn)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(fù)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(qū)動電路提供適當(dāng)?shù)钠啤５枰⒁獾氖?，不要過度加載該參考節(jié)點，以免影響內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。因此，時鐘的占空比應(yīng)保持在50%，抖動要小，上升和下降時間應(yīng)在2ns或更短。特別是在對高頻輸入信號進(jìn)行數(shù)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(shù)字輸出數(shù)據(jù)

ADS820的10位輸出數(shù)據(jù)為CMOS邏輯電平。標(biāo)準(zhǔn)輸出編碼為直偏二進(jìn)制（SOB），當(dāng)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(jìn)制補碼（BTC）輸出，此時最高有效位會被反轉(zhuǎn)。數(shù)字輸出可以通過將OE（引腳18）置為邏輯高電平設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，正常工作時引腳18為低電平或浮空。

七、應(yīng)用電路設(shè)計

（一）驅(qū)動電路

• 變壓器耦合：對于交流耦合應(yīng)用，可以使用變壓器將單端輸入轉(zhuǎn)換為差分輸入。選擇低失真且在滿量程電壓下不會出現(xiàn)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(nèi)部參考梯的非線性。
• 電阻電容網(wǎng)絡(luò)：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(jù)信號帶寬，需要仔細(xì)選擇組件值，以保持?jǐn)?shù)據(jù)手冊中規(guī)定的性能。輸入電容和電阻構(gòu)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(nèi)保持低交流耦合阻抗，可以在極化電容上并聯(lián)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(zhuǎn)換為差分信號。

（二）外部參考與滿量程范圍調(diào)整

ADS820的內(nèi)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(qū)動能力的外部參考來替代內(nèi)部的+1.25V和+3.25V參考。通過調(diào)整外部參考，可以調(diào)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(yīng)至關(guān)重要。建議采用多層PCB，將模擬和數(shù)字接地引腳直接連接到模擬接地平面，電源引腳應(yīng)盡可能靠近引腳使用0.1μF的陶瓷電容進(jìn)行旁路。

八、動態(tài)性能測試與定義

（一）測試方法

為了準(zhǔn)確測試ADS820的動態(tài)性能，需要使用高精度的鎖相信號源，如HP8644A信號發(fā)生器和HP8022A脈沖發(fā)生器。同時，對測試信號進(jìn)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(zhuǎn)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(diào)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(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了強大的競爭力。作為電子工程師，我們在設(shè)計過程中需要充分考慮其各項特性和要求，合理設(shè)計應(yīng)用電路，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)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(yōu)秀的A/D轉(zhuǎn)換器。大家在實際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。