ADC1175：低功耗高速A/D转换器的卓越选择

在如今的电子设计领域，A/D转换器的性能和功耗一直是工程师们关注的重点。德州仪器（TI）推出的ADC1175，以其低功耗、高速的特性，在众多A/D转换器中脱颖而出。今天，我们就来详细了解一下这款出色的产品。

文件下载：adc1175.pdf

1. 产品概述

ADC1175是一款低功耗、20Msps的8位A/D转换器，仅消耗60mW（典型值）的功率，却能实现高达7.5位的有效位数（ENOB）。它采用独特架构，输出格式为直接二进制编码，具有优秀的直流和交流特性，适用于多种视频、成像和通信应用，包括便携式设备。

2. 产品特性解析

2.1 核心特性

• 内部采样保持功能：能在采样瞬间保持输入信号的幅值，为后续的量化和编码过程提供稳定的信号，确保转换的准确性。 内部采样保持功能能够在采样瞬间精准地“冻结”输入信号的幅值，为后续的量化和编码过程提供稳定的信号，从而确保转换的准确性。就像在高速流水线上，采样保持功能如同一个精准的“抓拍器”，在合适的时机捕捉信号，让后续的处理环节能够有条不紊地进行。

• 单+5V供电：简化了电源设计，降低了系统的复杂性和成本。在实际应用中，单电源供电可以减少电源模块的数量，提高系统的可靠性。 单 +5V 供电的 A/D 转换器具有多方面优势。从电源模块设计来看，如上述提到，它可以减少电源模块的使用数量。在一个复杂的电子系统中，不同的电源需求往往需要多个电源模块来满足，而单 +5V 供电的 ADC1175 仅需一个 +5V 电源就能工作，这意味着可以减少电源转换芯片、滤波电容等相关元件的使用，从而简化电路板的布局和设计，降低物料成本。

从系统可靠性角度分析，减少电源模块数量还能降低系统故障的风险。多个电源模块之间可能会存在相互干扰的问题，例如电源纹波的耦合等，而单电源供电则避免了这些潜在的干扰源，提高了系统的稳定性和可靠性。此外，单 +5V 供电也更易于电源管理和监控，工程师可以更方便地对电源进行实时监测和故障排查。

三、关键规格参数

ADC1175 的关键规格参数是衡量其性能的重要指标，下面为你详细解读：

1. 分辨率：8 位分辨率意味着它可以将模拟信号量化为 $2^8 = 256$ 个不同的离散值，能够满足许多中等精度的应用需求。
2. 最大采样频率：最小 20Msps 的采样频率，使得它能够快速地对模拟信号进行采样，适应高速信号处理的场景。 在许多高速信号处理应用中，如高速数据采集系统、高速通信系统中对信号的实时处理等，都需要高采样频率的 A/D 转换器来保证信号的准确采集和处理。ADC1175 的 20Msps 最小采样频率能够很好地满足这些应用的需求。
3. DNL（差分非线性）：最大 0.75 LSB 的 DNL 指标，反映了相邻两个量化台阶之间的实际间隔与理想间隔的最大偏差。较小的 DNL 意味着量化台阶更加均匀，能够减少量化误差，提高转换精度。
4. ENOB（有效位数）：典型 7.5 位的 ENOB 表示该转换器在实际工作中相当于一个 7.5 位的理想 ADC。ENOB 综合考虑了噪声、失真等因素对转换器性能的影响，是衡量转换器实际性能的重要指标。
5. 功耗：不包括 IREF 时典型功耗为 60mW，属于低功耗器件。在一些对功耗要求较高的应用中，如便携式设备，低功耗的 ADC 可以延长设备的电池续航时间，提高设备的使用便利性。

四、引脚配置与功能

ADC1175 的引脚配置非常关键，不同的引脚具有不同的功能，下面为你详细介绍：	引脚编号	符号	等效电路	描述
19	VIN	AN6D 19 AVss	模拟信号输入，转换范围是 VR 到 VRT
16	VRTS	AVDo 16 AVss	参考顶部偏置，带有内部上拉电阻，短接此引脚到 VRT 可对参考梯进行自偏置
17	VRT	AVDD	模拟输入，是 ADC 参考梯的高端，标称范围是 1.0V 到 AVpp，VRT 和 VR 输入的电压定义了 Vin 的转换范围，需良好旁路
23	VRB	17 23 AYss	模拟输入，是 ADC 参考梯的低端，标称范围是 0V 到 4.0V，VRT 和 VR 输入的电压定义了 Vin 的转换范围，需良好旁路
22	VRBS	AVDD 22 AVss	参考底部偏置，带有内部下拉电阻，短接到 VRe 可对参考梯进行自偏置
1	OE	DVDD DVss	CMOS/TTL 兼容数字输入，低电平时使能 ADC1175 的数字输出，高电平时输出处于高阻态

在实际应用中，正确连接和使用这些引脚对于保证 ADC1175 的正常工作至关重要。例如，VIN 引脚用于输入待转换的模拟信号，其输入范围由 VRT 和 VRB 引脚的电压决定；OE 引脚则可以方便地控制数字输出的使能和禁止，便于与其他数字电路进行接口。

五、电气特性

ADC1175 的电气特性决定了它在不同工作条件下的性能表现，下面为你详细分析：

1. 直流精度：包括积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）等指标。在 20MHz 时钟频率下，INL 最大为 ±1.3 LSB，DNL 最大为 ±0.75 LSB，这些指标反映了转换器在直流信号转换时的准确性。较小的 INL 和 DNL 意味着转换器能够更准确地将模拟信号转换为数字信号，减少转换误差。
2. 视频精度：如差分相位误差（DP）和差分增益误差（DG）等指标。在特定的输入信号频率和时钟频率下，DP 典型值为 0.5 度，DG 典型值为 0.4%，这些指标对于视频信号的数字化处理非常重要，能够保证视频信号的质量。
3. 模拟输入和参考特性：输入范围、输入电容、输入电阻等指标。输入范围由 VRT 和 VRB 决定，输入电容在时钟低电平时为 11 pF，高电平时为 11 pF，输入电阻大于 1 MΩ。这些特性影响着模拟信号的输入和处理，在选择驱动放大器时需要考虑这些因素。
4. 电源特性：包括模拟电源电流、数字电源电流和总工作电流等指标。在特定的电源电压和时钟频率下，总工作电流最大为 17 mA，功耗最大为 85 mW。了解这些电源特性对于电源模块的设计和功耗管理非常重要。
5. 交流电气特性：如最大转换速率、最小转换速率、输出延迟、输出保持时间等指标。最大转换速率为 30MHz，输出延迟在时钟上升沿到数据上升沿为 19.5 ns。这些指标反映了转换器在交流信号处理时的速度和响应特性，对于高速信号处理应用至关重要。

六、典型性能特性

文档中给出了 ADC1175 的典型性能特性图，这些特性图展示了转换器在不同工作条件下的性能变化趋势。例如，通过观察采样频率与精度的关系图，我们可以了解到随着采样频率的增加，转换器的精度可能会有所下降。在实际应用中，我们可以根据这些特性图来选择合适的工作条件，以达到最佳的性能表现。同时，这些特性图也可以帮助我们对转换器的性能进行预测和评估，为系统设计提供参考。

七、应用信息

（一）模拟输入

ADC1175 的模拟输入具有动态电容特性，时钟低电平时输入电容为 4 pF，高电平时为 11 pF。这种动态电容使得输入负载更难驱动，因此在选择驱动放大器时需要考虑其驱动能力。如 LMH6702、LMH6609 等放大器被证明是驱动 ADC1175 的优秀选择。同时，要注意不要将输入信号驱动超出电源轨，否则可能会导致输出异常。

（二）参考输入

参考输入 $V{RT}$ 和 $V{RB}$ 是参考梯的顶部和底部，输入信号在这两个电压之间将被数字化为 8 位。外部施加到参考输入引脚的电压应在规定的范围内，驱动参考引脚的设备需要能够提供足够的电流。参考梯可以通过连接 $V{RT}$ 到 $V{RTS}$ 和 $V{RB}$ 到 $V{RBS}$ 进行自偏置，也可以通过外部低阻抗源驱动以获得更好的性能。

（三）电源供应考虑

为了避免电源干扰，需要在 A/D 电源引脚附近放置合适的电容进行旁路。同时，模拟和数字电源虽然可以使用同一电压源，但需要进行良好的隔离，以防止数字噪声耦合到模拟电源引脚。在选择电源元件时，应避免在模拟电源线上使用电感元件。

（四）时钟

ADC1175 通常可以在 1MHz 到 30MHz 的时钟频率下工作。如果不需要连续转换，可以通过在不使用时停止时钟来降低功耗。但需要注意的是，在电源开启时如果时钟不运行可能会导致参考梯电流增加，因此需要采取适当的措施来消除多余的电流。

（五）布局和接地

正确的接地和信号布线对于保证准确转换至关重要。建议使用单一接地平面，并将模拟和数字信号线路分开，避免相互干扰。在布局时，要特别注意时钟线的隔离，避免与其他线路交叉，以减少耦合干扰。

八、常见应用陷阱及解决方法

在使用 ADC1175 时，可能会遇到一些常见的应用陷阱，下面为你详细介绍并提供相应的解决方法：

1. 输入超出电源轨：如果输入信号超出电源轨，可能会导致转换器工作异常。为了避免这种情况，所有输入信号不应超过电源引脚电压 50mV 或低于地引脚电压 50mV。对于高速数字电路中可能出现的过冲或下冲问题，可以在输入信号源附近串联一个 50Ω 到 100Ω 的电阻来解决。
2. 输入过载：过度驱动 ADC1175 的输入可能会导致转换不准确甚至损坏设备。因此，在设计输入电路时，要确保输入信号在合适的范围内。
3. 驱动高电容数字数据总线：如果输出驱动需要为高电容的数据总线充电，可能会导致动态性能下降。可以通过缓冲数字数据输出或在每个数字输出端添加 47Ω 到 100Ω 的串联电阻来改善性能。
4. 使用不合适的放大器：由于 ADC1175 的输入电容是动态变化的，因此需要选择能够驱动这种负载的放大器。如 LMH6702、LMH6609 等放大器是比较合适的选择。
5. 时钟问题：时钟源的抖动、过长的时钟信号走线或其他信号耦合到时钟信号走线都可能导致采样间隔变化，从而降低 SNR 性能。应选择合适的时钟源，并确保时钟线与其他信号隔离。
6. 输入信号谐波失真：输入信号中的谐波失真可能会干扰动态信噪比的测量。可以在信号输入处插入合适的滤波器来去除谐波和其他干扰信号。
7. 电源管理问题：在 ADC1175 进入掉电模式时，需要考虑对驱动的 CMOS 数字电路的影响。可以在 ADC 输出端使用下拉电阻来避免 CMOS 设备输入浮空导致的大电流问题。

九、总结

ADC1175 是一款性能优良的 8 位 A/D 转换器，具有低功耗、高采样频率、良好的直流和交流特性等优点。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和工作条件，合理选择和使用 ADC1175，并注意避免常见的应用陷阱。通过正确的设计和布局，充分发挥 ADC1175 的性能优势，为电子系统的设计和开发提供有力的支持。各位工程师在实际应用中，不妨多尝试不同的设计方案，根据实际测试结果进行优化，以获得最佳的性能表现。同时，也欢迎大家在评论区分享自己在使用 ADC1175 过程中的经验和心得。