探索ADS831：高性能8位、80MHz采样模数转换器的奥秘

在电子设计的领域中，模数转换器（ADC）扮演着至关重要的角色，它是连接现实世界模拟信号与数字系统的桥梁。今天，我们将深入探讨一款来自德州仪器（Texas Instruments）的高性能ADC——ADS831，它具备诸多令人瞩目的特性，适用于医疗成像、视频数字化、计算机扫描等众多领域。

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一、ADS831的特性与应用

特性亮点

ADS831拥有一系列出色的特性，使其在众多ADC中脱颖而出。它具有49dB的高信噪比（SNR），提供内部或外部参考选项，支持单端或差分模拟输入，可编程输入范围为1Vp - p / 2Vp - p，功耗低至275mW，微分非线性（DNL）仅为0.35LSB，采用单+5V电源供电，封装形式为SSOP - 20。

广泛应用

ADS831的应用场景十分广泛，涵盖了医疗成像、视频数字化、计算机扫描、通信以及磁盘驱动器控制等领域。这些应用对ADC的性能要求较高，而ADS831凭借其出色的特性能够很好地满足需求。

二、ADS831的详细规格

绝对最大额定值

在使用ADS831时，需要注意其绝对最大额定值，包括电源电压、模拟输入电压、逻辑输入电压、外壳温度、结温以及存储温度等。例如，电源电压（+VS）最大为+6V，模拟输入范围为0.3V至(+VS + 0.3V)等。

电气特性

在全指定温度范围（TA）、单端输入范围为1.5V至3.5V、采样率为80MHz且使用外部参考的条件下，ADS831展现出了卓越的电气特性。

• 分辨率：保证为8位。
• 模拟输入：标准单端输入范围为2Vp - p，可选单端输入范围为1Vp - p，共模电压为2Vp - p等。
• 转换特性：采样率最高可达80M Samples/s，数据延迟为4个时钟周期。
• 动态特性：在不同频率下，微分线性误差、积分非线性误差、无杂散动态范围（SFDR）、信噪比（SNR）等指标都表现出色。

引脚配置与描述

ADS831的引脚配置清晰明确，每个引脚都有其特定的功能。例如，GND为接地引脚，Bit1 - Bit8为数据位引脚，CLK为转换时钟引脚等。通过合理配置这些引脚，可以实现不同的功能和工作模式。

三、ADS831的典型特性

线性误差与动态性能

在不同输入频率下，ADS831的微分线性误差（DLE）和积分线性误差（ILE）表现良好。随着输入频率的变化，其动态性能如SFDR、SNR等也能保持在较高水平。同时，功耗与温度之间也存在一定的关系，在不同温度下，功耗会有所变化。

四、ADS831的应用信息

工作原理

ADS831采用流水线式CMOS架构，由6个内部级组成。其模拟输入为差分跟踪和保持结构，能够在高速采样时实现较高的交流性能。它支持单端或差分输入模式，典型配置为单端模式，在该模式下输入跟踪和保持会将模拟输入信号进行单端到差分的转换。

模拟输入驱动

ADS831在单端或差分模式下都能实现出色的交流性能。选择最佳接口配置取决于具体的应用需求和系统结构。例如，通信应用通常处理不包含直流的频段，而成像应用则需要正确保持恢复的直流电平。通过合理配置ADS831的输入范围选择（RSEL引脚）或使用外部参考选项，可以满足不同应用的需求。

输入配置

• 交流耦合、单电源接口：通过连接RSEL引脚为高电平，可将满量程输入范围设置为2Vp - p。使用两个1kΩ电阻创建约+2.5V的共模电压来偏置驱动放大器的输入。在放大器输出与ADS831输入之间添加小串联电阻（RS）有助于解耦电容负载，避免增益峰值，提高信噪比。
• 交流耦合、双电源接口：当选择的放大器采用双电源工作时，这种配置可以利用低失真运算放大器的优势，使驱动放大器能够以接地参考的双极性信号摆动工作，从而降低失真。
• 直流耦合与电平转换：对于需要包含直流带宽的应用，需要对模拟输入信号进行直流电平转换。通过使用双运算放大器（如OPA2681）可以实现信号的电平转换，使其与所选输入范围兼容。
• 单端到差分配置（变压器耦合）：在需要将单端信号转换为差分信号输入ADS831的应用中，RF变压器是一个不错的选择。选择具有中心抽头的变压器，通过对中心抽头进行交流接地，可以在次级绕组上产生差分信号摆动。这种配置在宽输入频率范围内可以实现良好的SFDR性能。

参考操作

ADS831的内部参考电路由带隙电压参考、顶部和底部参考驱动器以及电阻参考梯形网络组成。通过将RSEL引脚连接到低或高电位，可以分别将模拟输入摆幅设置为1Vp - p或2Vp - p的满量程范围。在外部参考模式下，REFT和REFB的缓冲放大器与参考梯形网络断开。为确保参考配置的正常运行，需要在参考引脚处提供良好的旁路电容，以最小化时钟馈通。

外部参考操作

在某些应用中，可以禁用内部参考并使用外部参考电压，以获得更高的精度、更好的温度性能或更宽的满量程范围调整。外部参考电压的范围需要满足一定的条件，同时为了保持良好的交流性能，建议将典型共模电压保持在+2.5V。

数字输入与输出

• 时钟输入要求：时钟抖动对高速、高分辨率ADC的SNR性能至关重要。ADS831在CLK输入的上升沿采样输入信号，因此该边沿应具有尽可能低的抖动。在欠采样应用中，需要特别注意时钟抖动，将时钟输入视为模拟输入进行处理，以实现最佳性能。
• 数字输出：ADS831的输出数据格式为正直偏移二进制代码，可以通过反转最高有效位（MSB）轻松转换为二进制补码代码。为了避免电容性负载对性能的影响，建议将数据线上的电容负载保持在尽可能低的水平（≤15pF）。
• 数字输出驱动器（VDRV）：ADS831具有专门的输出逻辑驱动器电源引脚VDRV，可以设置为+5V或+3V以产生相应的逻辑电平。建议使用+3V逻辑电源，以降低输出级的功耗并减少电源线上的电流毛刺。

接地与去耦

对于高频设计，正确的接地、旁路、短引线长度和使用接地平面非常重要。建议使用多层PCB板，以最小化接地阻抗并分离信号层。ADS831应被视为模拟组件，尽可能使用模拟电源供电，以避免数字电源线上的噪声耦合到转换器中。同时，应将模拟信号迹线与数字线分开，以防止噪声耦合到模拟信号路径上。

五、总结

ADS831作为一款高性能的8位、80MHz采样模数转换器，凭借其丰富的特性、出色的性能和广泛的应用场景，为电子工程师提供了一个优秀的选择。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和系统结构，合理配置其引脚、参考电压、输入输出模式等，同时注意接地和去耦等问题，以充分发挥其优势，实现最佳的性能。你在使用ADS831或其他类似ADC时，遇到过哪些问题或有什么独特的经验呢？欢迎在评论区分享交流。