深入剖析ADS7890：14位、1.25-MSPS低功耗SAR模数转换器

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们要深入探讨一款来自德州仪器（Texas Instruments）的高性能ADC——ADS7890。这款14位、1.25-MSPS的低功耗逐次逼近寄存器（SAR）模数转换器，具备众多出色的特性，适用于多种应用场景。

文件下载：ads7890.pdf

一、ADS7890的特性与应用场景

（一）特性亮点

1. 高采样率与高分辨率：ADS7890拥有1.25 MHz的采样率和14位的分辨率，能够准确快速地将模拟信号转换为数字信号，满足高速数据采集的需求。
2. 零延迟与伪差分输入：零延迟特性确保了信号转换的及时性，而伪差分输入范围为 -0V 到 2.5V，可有效补偿ADC与传感器之间的地电压失配，并消除共模噪声。
3. 低功耗设计：在1.25 MSPS的采样率下，功耗仅为45 mW，还具备Nap模式（功耗10 mW）和掉电模式（功耗10 μW），大大降低了系统的整体功耗。
4. SPI兼容串行接口：方便与各种微控制器、数字信号处理器等进行通信，实现数据的快速传输。
5. 出色的动态性能：在0.5 MHz输入时，SNR达到77.5 dB，THD为 -95 dB，保证了信号转换的高精度和低失真。
6. 内部参考与缓冲：内置2.5V参考电压和参考缓冲器，简化了外部电路设计。
7. 48引脚TQFP封装：便于PCB布局和焊接，适合大规模生产。

（二）应用场景

ADS7890的出色特性使其在多个领域得到广泛应用，包括光网络（DWDM、基于MEMS的交换）、频谱分析仪、高速数据采集系统、高速闭环系统以及电信等。

二、技术规格详解

（一）绝对最大额定值

了解ADS7890的绝对最大额定值对于正确使用和保护器件至关重要。这些额定值规定了器件在各种条件下能够承受的最大电压、电流和温度范围。例如，+IN到AGND的电压范围为 -0.3V 到 +VA +0.1V，工作温度范围为 -40°C 到 85°C，存储温度范围为 -65°C 到 150°C 等。超出这些额定值可能会导致器件永久性损坏。

（二）电气特性

1. 模拟输入特性：全量程输入跨度为0到Vref（2.5V），绝对输入范围为 -0.2V 到 Vref +0.2V，输入电容为27 pF，输入泄漏电流为500 pA。这些特性决定了器件对模拟信号的处理能力和精度。
2. 系统性能指标：分辨率为14位，无丢失码，积分线性度为 -1.5 到 +0.75 LSB，差分线性度为 -1 到 ±0.75 LSB，偏移误差和增益误差在特定条件下均有明确的指标范围。这些指标反映了器件的整体性能和精度。
3. 采样动态特性：转换时间在 +VDB = 5V 时为365 ns，采集时间为187.5 ns，最大吞吐量速率为1.25 MHz，孔径延迟为5 ns，孔径抖动为20 ps，阶跃响应和过电压恢复时间均为50 ns。这些特性对于高速信号的采样和处理非常关键。
4. 动态特性：总谐波失真（THD）在不同输入频率和幅度下有不同的指标，如在100 kHz、2.496 Vp-p输入时，THD为 -95 dB；在0.5 MHz、2.496 Vp-p输入时，THD为 -95 到 -88 dB。信噪比（SNR）和信纳比（SINAD）也有相应的指标，这些指标反映了器件在处理动态信号时的性能。
5. 外部参考输入特性：输入VREF范围为2.4V 到 2.6V，电阻为500 kΩ（可 ±20% 变化）。内部参考输出特性包括启动时间、VREF范围、源电流、线路调节和漂移等指标。

（三）数字输入/输出特性

ADS7890的数字输入/输出采用CMOS逻辑家族，具有特定的逻辑电平要求。例如，VIH在IH = 5 μA 时为 +VBD - 1 到 +VBD +0.3V，VIL在IL = 5 μA 时为 -0.3V 到 0.8V。数据格式为直二进制，方便与数字系统进行接口。

（四）电源要求

器件的电源电压要求为 +VBD 在2.7V 到 5.25V 之间，+VA 在4.75V 到 5.25V 之间。在1.25 MHz采样率下，+VA的电源电流为9到12 mA，功耗为45到60 mW。Nap模式和掉电模式下的电源电流和功耗也有相应的指标。

三、引脚功能与操作模式

（一）引脚功能

ADS7890共有48个引脚，每个引脚都有特定的功能。例如，SDO为串行数据输出引脚，BUSY为状态输出引脚，SCLK为串行时钟引脚，FS为帧同步引脚，CS为芯片选择引脚等。了解这些引脚的功能和使用方法对于正确连接和操作器件至关重要。

（二）操作模式

1. SPI接口模式：在SPI接口模式下，器件操作由 $\overline{CS}$ 和SCLK控制，FS始终保持高电平。帧从 $\overline{CS}$ 的下降沿开始，MSB首先从SDO引脚锁存输出。在转换结束后，器件进入NAP状态，直到第8个SCLK上升沿。第9个SCLK上升沿关闭采样开关，开始采样模拟输入，第16个SCLK下降沿进入转换阶段。
2. DSP接口模式：在DSP接口模式下，器件操作由 $\overline{CS}$、SCLK和FS控制。帧从FS的上升沿开始，$\overline{CS}$ 已经为低电平。其他操作过程与SPI接口模式类似。

（三）电源管理与复位

1. 电源管理：ADS7890具有Nap模式和掉电模式，可有效降低功耗。在Nap模式下，功耗为10 mW；在掉电模式下，功耗仅为10 μW。
2. 复位操作：当PWD/RST引脚为低电平时，器件进入复位阶段，SDO进入三态。复位后，前四次转换的数据无效，器件需要进行初始化。

（四）帧中止操作

在SPI和DSP接口模式下，帧可以在任何时候中止。不同阶段的帧中止操作有不同的处理方式，例如在采样前、采样期间和转换期间中止帧，会对数据输出和后续操作产生不同的影响。

四、典型特性曲线

文档中提供了一系列典型特性曲线，包括有效位数、信噪比、无杂散动态范围、总谐波失真、增益误差、偏移误差、功耗等与输入频率、温度等参数的关系。这些曲线可以帮助工程师更好地了解器件在不同条件下的性能表现，从而进行合理的设计和优化。

五、工作原理与设计要点

（一）工作原理

ADS7890采用电荷再分配的SAR架构，内部包含一个采样/保持功能。模拟输入信号通过 +IN和 -IN引脚输入，在转换开始时，这两个引脚之间的电压差被采样到内部电容阵列上。转换时钟由内部生成，转换时间最大为365 ns（在 +VBD = 5V 时）。

（二）参考设计

器件内置2.5V参考电压，但也可以使用外部参考。使用内部参考时，需要将REFOUT引脚连接到REFIN引脚，并在REFOUT和REFM之间连接0.1 μF的去耦电容和1 μF的存储电容。使用外部参考时，需要在REFOUT和AGND之间连接0.1 μF的电容。

（三）模拟输入设计

模拟输入的电压范围和输入电流特性需要特别注意。-IN输入电压限制在 -0.2V 到 0.2V 之间，+IN输入范围为 -0.2V 到 Vref +0.2V。输入电容为27 pF，源信号需要能够在采集时间内将输入电容充电到14位的稳定电平。同时，要确保 +IN和 -IN到各自源的阻抗相同，以避免出现偏移误差、增益误差或线性误差。

（四）推荐的运算放大器

为了获得最佳性能，推荐使用THS4031或THS4211作为模拟输入的运算放大器。文档中的所有性能数据都是使用THS4031测量得到的。

（五）数字接口设计

器件可以工作在SPI或DSP接口模式下，通过CS、SCLK、FS等信号进行控制。BUSY信号可以指示转换是否正在进行。

（六）布局设计要点

为了实现ADS7890的最佳性能，PCB布局非常关键。要注意将AGND和BDGND引脚连接到干净的模拟地，避免与微控制器或数字信号处理器的接地端过于接近。+VA和 +VBD的电源供应需要进行良好的去耦，使用0.1 μF的陶瓷电容和1 μF的电容进行旁路。参考电压的设计也需要注意，确保其能够稳定地为器件提供参考电压。

六、总结

ADS7890是一款性能出色的14位、1.25-MSPS低功耗SAR模数转换器，具有高采样率、高分辨率、低功耗、出色的动态性能等优点。在使用该器件时，需要深入了解其技术规格、引脚功能、操作模式和设计要点，合理进行电路设计和PCB布局，以充分发挥其性能优势。同时，要注意遵守器件的绝对最大额定值和推荐操作条件，确保器件的正常工作和可靠性。希望本文对电子工程师在使用ADS7890进行设计时有所帮助。你在实际设计中是否遇到过类似ADC的应用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。