高速ADC芯片ADS930：特性、原理与应用全解析

在电子设备的设计与开发中，模拟信号与数字信号的转换是一个关键环节，而ADC（模拟 - 数字转换器）则扮演着这一转换过程的核心角色。今天，我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）推出的一款高性能ADC——ADS930。

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一、ADS930的基本特性

1. 供电与输入特性

ADS930可在+3V至+5V的电源下稳定工作，电源容差高达10%，适用范围广泛。它采用单端输入，输入范围为1V至2V，内部集成了参考电路，为转换提供稳定的参考电压。

2. 性能优势

• 低功耗：在+3V供电时，功耗仅为66mW，非常适合电池供电的设备。
• 高信噪比：达到46dB，能有效减少信号噪声，提高转换精度。
• 低DNL：仅为0.4LSB，保证了良好的线性度。
• 封装形式：采用SSOP - 28封装，体积小巧，便于在电路板上布局。

二、工作原理剖析

1. 流水线架构

ADS930采用流水线架构，由7个阶段组成，每个阶段包含一个两位量化器和一个两位数模转换器（DAC）。外部时钟信号控制量化器工作，各量化器输出通过延迟线进行时间对齐，再经数字误差校正电路调整输出数据，确保了出色的差分线性度和8位分辨率下无丢失码。

2. 跟踪/保持电路

跟踪/保持电路是ADS930的重要组成部分。内部时钟的非重叠两相信号φ1和φ2控制开关，采样时输入信号存储在输入电容底板，下一相位输入电容底板连接，反馈电容切换到运算放大器输出，完成电荷重新分配，实现跟踪/保持功能。该电路能将单端输入信号转换为全差分信号，提高了信号的信噪比。

3. 内部参考电路

内部参考电路为内部各级提供固定参考电压。电阻梯（REFT和REFB）两端由缓冲放大器驱动，输出引脚用于连接外部旁路电容，可降低高频开关噪声，提高性能。此外，芯片还提供+1.0V的额外电压，但该电压未经过缓冲，使用时需注意。

三、电气特性详解

1. 分辨率与输入特性

ADS930的分辨率为8位，在-40°C至+85°C的温度范围内都能稳定工作。模拟输入方面，差分满量程输入范围为0.5Vp - p，单端满量程输入范围为1Vp - p，共模电压为+1.25V至+1.75V。

2. 动态特性

在动态特性上，ADS930表现出色。差分线性误差小，无丢失码，积分非线性误差低，无杂散动态范围和双音互调失真都能满足大多数应用的需求。信号 - 噪声比在不同输入频率下都能保持较高水平，确保了信号的高质量转换。

3. 数字输入与输出特性

数字输入与TTL/HCT兼容的CMOS逻辑电平，输入电流小，输入电容低。数字输出同样采用TTL/HCT兼容的CMOS逻辑，输出编码为直偏移二进制，具有3态使能和禁用功能，方便与其他数字电路接口。

四、应用电路设计

1. 模拟输入驱动电路

• 交流耦合单端接口电路：使用高速运算放大器（如OPA650、OPA658）实现交流耦合单端接口，通过中点参考电压偏置双极性输入信号，电容和电阻组成高通滤波器，可根据需要设置截止频率。
• 单电源应用电路：适用于单电源系统，通过中点参考电压偏置输入信号，同时利用电容和电阻组成高通滤波器，电阻还可隔离运算放大器输出与容性负载，减少增益峰值和振荡。
• 直流耦合接口电路：使用高速运算放大器对输入信号进行电平转换，满足ADS930的输入要求。通过内部参考电压和电阻分压器调整运算放大器的偏置电压，同时注意选择合适的运算放大器，考虑其输出摆幅、输入共模范围和偏置电流等参数。

2. 时钟输入设计

ADS930的时钟输入支持+5V或+3V的CMOS逻辑电平。为了达到最佳性能，建议使用高速或先进的CMOS逻辑提供时钟信号，时钟信号的占空比应尽量接近50%，上升和下降时间应小于2ns。对于输入频率接近奈奎斯特频率或欠采样的应用，要特别注意时钟抖动，因为时钟抖动会导致孔径抖动，影响信噪比。

3. 电源管理

ADS930具有低功耗特性，还可通过进入掉电模式进一步降低功耗。将掉电引脚（Pin 17）置为逻辑“高”，可使电源电流降低约70%。在掉电模式下，数字输出处于3态，转换器不处理采样信号。去除掉电条件后，需要5个时钟周期的延迟才能输出有效数据。

4. 去耦与接地设计

为了保证ADS930的性能，需要合理进行去耦和接地设计。芯片有多个电源引脚，建议将其视为模拟组件，仅使用模拟电源供电，以避免数字电源噪声的干扰。同时，在电源和参考引脚附近添加合适的旁路电容，降低高频噪声，提高电路的稳定性。

五、总结与展望

ADS930凭借其高速、低功耗、高信噪比等优点，在电池供电设备、摄像机、便携式测试设备、计算机扫描仪和通信等领域都有广泛的应用前景。作为电子工程师，在设计过程中，我们需要充分了解其特性和工作原理，合理设计应用电路，以发挥其最大性能。同时，随着电子技术的不断发展，我们也期待类似的高性能ADC能够不断涌现，为电子设备的发展提供更强大的支持。

你在使用ADS930的过程中遇到过哪些问题？你认为它在哪些应用场景中还可以进一步优化？欢迎在评论区分享你的经验和想法。