探索ADC10040：10位、40 MSPS、低功耗A/D转换器的卓越性能

在电子工程师的日常工作中，选择一款合适的A/D转换器至关重要。它直接影响着系统的性能、功耗和成本。今天，我们就来深入了解一下TI的ADC10040/ADC10040Q 10位、40 MSPS、3V、55.5 mW A/D转换器，看看它有哪些独特的特性和应用场景。

文件下载：adc10040-q1.pdf

一、产品概述

ADC10040是一款单芯片CMOS模数转换器，能够以每秒4000万个样本（40 MSPS）的速度将模拟输入信号转换为10位数字字。它采用了差分流水线架构，并配备了数字误差校正和片上采样保持电路，不仅提供了完整的转换解决方案，还能有效降低功耗，同时展现出出色的动态性能。其独特的采样保持级实现了400 MHz的满功率带宽。

二、产品特性

2.1 电源与输入特性

• 单电源供电：仅需单一的+3.0V电源即可工作，简化了电源设计。
• 可选输入摆幅：支持2.0 VP - P、1.5 VP - P或1.0 VP - P的满量程输入摆幅，可根据实际需求灵活选择。
• 宽输入带宽：具有400 MHz的 - 3 dB输入带宽，能够处理高频信号。

2.2 低功耗设计

• 低功耗模式：具备低功耗待机模式，在待机状态下功耗大幅降低，有效节省能源。
• 低静态功耗：正常工作时功耗仅为55.5 mW，在40 MHz时钟频率下也能保持较低的功耗水平。

2.3 片上集成功能

• 片上参考和采样保持放大器：集成了参考电压和采样保持放大器，减少了外部元件的使用，提高了系统的集成度和稳定性。
• 数据格式可选：支持偏移二进制或二进制补码数据格式，满足不同系统的数据处理需求。

2.4 输出驱动与兼容性

• 独立可调输出驱动电源：可独立调节输出驱动电源，以适应2.5V和3.3V逻辑系列，增强了与不同逻辑电路的兼容性。

2.5 汽车级认证

• AEC - Q100 Grade 3认证：ADC10040Q经过AEC - Q100 Grade 3认证，适用于汽车电子等对可靠性要求较高的应用场景。

2.6 封装形式

• 28引脚TSSOP封装：采用28引脚TSSOP封装，体积小巧，便于PCB布局和焊接。

三、关键规格参数

参数	数值
分辨率	10位
转换速率	40 MSPS
满功率带宽	400 MHz
差分非线性（DNL）	±0.3 LSB（典型值）
信噪比（SNR，$f_{IN}=11 MHz$）	59.6 dB（典型值）
无杂散动态范围（SFDR，$f_{IN}=11 MHz$）	- 80 dB（典型值）
功耗（40 MHz）	55.5 mW

四、应用领域

4.1 医疗与成像领域

• 超声和成像：在超声设备和成像系统中，ADC10040的高采样速率和低功耗特性能够满足对图像质量和实时性的要求，同时降低系统的功耗和散热需求。

  4.2 仪器仪表领域

• 仪器仪表：适用于各种仪器仪表，如示波器、频谱分析仪等，提供高精度的模拟信号转换，确保测量结果的准确性。

  4.3 通信领域

• 蜂窝基站/通信接收器：在蜂窝基站和通信接收器中，ADC10040能够处理高频信号，提高通信系统的灵敏度和抗干扰能力。

  4.4 雷达与声纳领域

• 声纳/雷达：在声纳和雷达系统中，其高带宽和低功耗特性有助于提高系统的探测性能和续航能力。

  4.5 数据采集与处理领域

• xDSL、无线本地环路、数据采集系统、DSP前端：在这些领域中，ADC10040能够为数据采集和处理提供可靠的模拟信号转换，确保数据的准确性和实时性。

五、引脚说明与等效电路

5.1 模拟输入输出引脚

• VIN和VIN'：差分模拟输入信号引脚，在1.2V参考电压下，满量程输入信号电平为差分1.0 Vp - p。VIN可连接到Vcom引脚以实现单端操作。
• VREF：参考电压引脚，内部提供1.2V参考电压。该引脚应通过0.1 μF单片电容旁路到VssA。如有需要，也可由外部1.20V参考电压驱动，但请勿加载该引脚。

  5.2 数字输入输出引脚

• CLK：数字时钟输入引脚，输入频率范围为20 MHz至40 MHz，采样在上升沿进行。
• DF：数据格式选择引脚，高电平时输出二进制补码数据格式，低电平时输出偏移二进制数据格式。
• STBY：待机引脚，高电平时将转换器设置为待机模式，低电平时为活动模式。
• IRS：输入范围选择引脚，用于定义产生满量程输出的输入信号幅度。不同的连接方式对应不同的满量程输入范围，如连接VDDA为2.0 Vp - p，连接VssA为1.5 Vp - p，浮空为1.0 Vp - p。

  5.3 电源引脚

• VDDA：模拟电源正引脚，应连接到稳定的3.0V电源，并通过0.1 μF单片电容旁路到模拟地，同时并联一个4.7 μF电容。
• VSSA：模拟电源地引脚。
• VDDIO：数字输出驱动电源正引脚，应通过0.1 μF单片电容旁路到数字地，同时并联一个4.7 μF电容。该引脚电压不得超过VDDA电压300 mV。
• VssIo：数字输出驱动电源地引脚，应连接到接地平面，但远离模拟电路。

六、绝对最大额定值与工作额定值

6.1 绝对最大额定值

绝对最大额定值表示超出该范围可能会对器件造成损坏的极限值。例如，VDDA和VDDIO的最大电压为3.9V，任何引脚到地的电压范围为 - 0.3V至VDDA或VooIo + 0.3V等。在设计时，必须严格遵守这些额定值，以确保器件的安全可靠运行。

6.2 工作额定值

工作额定值表示器件正常工作的条件范围。如工作温度范围为 - 40°C至 + 85°C，VDDA电源电压范围为 + 2.7V至 + 3.6V，VDDIO输出驱动电源电压范围为 + 2.5V至VDDA等。在实际应用中，应确保器件工作在这些额定值范围内，以保证其性能和稳定性。

七、电气特性

7.1 静态转换器特性

• 无缺失码保证：ADC10040确保没有缺失码，保证了转换的准确性。
• 积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）：INL和DNL的典型值分别为±0.3 LSB，反映了转换器的线性度。
• 增益误差和偏移误差：增益误差和偏移误差表示实际转换特性与理想特性的偏差，在设计中需要进行校准和补偿。

  7.2 参考和输入特性

• 共模输入电压（VCM）：共模输入电压范围为0.5V至1.5V，确保输入信号的稳定性。
• 参考电压（VREF）：参考电压为1.2V，应通过0.1 μF电容旁路到地。

  7.3 电源特性

• 模拟电源电流（IVDDA）：待机状态下为4.5 - 6.0 mA，活动状态下为18 - 25 mA。
• 数字电源电流（IVDDIO）：待机状态下为0 mA，活动状态下为0.6 - 0.8 mA。
• 功耗（PWR）：待机状态下为13.5 - 18 mW，活动状态下为55.5 - 77 mW。

7.4 动态转换器特性

• 有效位数（ENOB）：在不同输入频率下，ENOB典型值为9.4 - 9.6位，反映了转换器的实际性能。
• 信噪比（SNR）和总谐波失真（THD）：SNR和THD是衡量转换器动态性能的重要指标，在不同输入频率下，SNR典型值为58.7 - 59.6 dB，THD典型值为 - 68.8 - - 78 dBc。

八、功能描述与应用信息

8.1 功能描述

ADC10040采用流水线架构和误差校正电路，确保了高性能的转换。差分模拟输入信号被数字化为10位数据。在差分模式下，输入信号的峰 - 峰值电压根据IRS引脚的状态分别为1.0V、0.75V或0.5V。如果需要单端操作，可将VIN - 连接到VCOM引脚。

8.2 应用信息

8.2.1 模拟输入

ADC10040有两个模拟信号输入引脚VIN + 和VIN - ，形成差分输入对。VCOM引脚可用于设置共模输入电压。为了减少输入噪声，建议在每个信号输入引脚使用18Ω串联电阻，并在输入之间跨接一个25 pF电容，形成低通滤波器。

8.2.2 参考引脚

ADC10040可使用内部或外部1.2V参考电压。内部参考为默认条件，使用外部参考时，应将VREF引脚通过0.1 μF电容旁路到地。VCOM、VREFT和REFB引脚的电压来自参考电压，仅用于旁路目的，应通过0.1 μF电容旁路到地，且请勿加载这些引脚。

8.2.3 时钟引脚

CLK信号控制采样过程的时序。应使用稳定、低抖动的时钟信号驱动时钟输入，频率范围应符合AC电气特性表的要求。时钟信号的上升和下降时间应小于2 ns，且时钟信号的走线应尽可能短，避免与其他信号交叉。

8.2.4 待机引脚

STBY引脚高电平时，ADC10040进入掉电模式，功耗为13.5 mW。此时输出数据引脚状态未定义，管道中的数据会被损坏。

8.2.5 数据格式引脚

DF引脚高电平时，ADC10040输出二进制补码数据格式；低电平时，输出偏移二进制数据格式。

8.2.6 输入范围选择引脚

IRS引脚定义了产生满量程输出的输入信号幅度，通过不同的连接方式可选择不同的输入范围。

九、典型应用电路

9.1 窄带交流信号应用

对于交流耦合、差分驱动输入的应用，可使用如图40所示的典型电路。16Ω电阻和24 pF电容与ADC10040的4 pF输入电容一起提供 - 3dB输入带宽为177 MHz，VCOM引脚的0.1 μF电容可稳定变压器中心抽头的共模电压。

9.2 直流应用

在非常低频和直流输入应用中，可能需要使用直流耦合放大器或缓冲器。图41展示了使用LMH6550的输入驱动电路，可替代图40中的变压器，为ADC10040提供合适的输入信号。

9.3 单端应用

虽然ADC10040在差分输入时性能最佳，但在某些对性能要求不高的应用中，也可使用单端输入。图42展示了一种单端信号源驱动模拟输入的方法。

十、总结

ADC10040以其高采样速率、低功耗、宽输入带宽和丰富的功能特性，成为了众多应用领域的理想选择。在设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择引脚配置和外部电路，以充分发挥其性能优势。同时，要严格遵守其绝对最大额定值和工作额定值，确保器件的安全可靠运行。希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师们更好地了解和应用ADC10040这款优秀的A/D转换器。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享交流。