探索ADS900：高速10位模数转换器的卓越性能与应用

在电子工程领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的桥梁，其性能直接影响到整个系统的精度和效率。今天，我们要详细探讨德州仪器（TI）的ADS900，一款具有高采样速率和出色性能的10位模数转换器。

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一、ADS900概述

ADS900属于Burr - Brown产品线，是一款高速流水线式模数转换器。它在设计上集成了高带宽采样保持电路、10位量化器以及内部参考电路，工作电压范围为 +2.7V至 +3.7V，非常适合低功耗应用。其采用SSOP - 28封装，小巧的体积让它在空间有限的设计中也能游刃有余。

（一）主要特性

• 宽电源范围：支持 +2.7V至 +3.7V的电源电压，能适应不同的电源环境。
• 低功耗：在 +3V供电时，功耗仅为52mW，有效降低了系统的整体功耗。
• 高带宽采样保持：拥有350MHz的带宽，可快速准确地采集输入信号。
• 出色的线性度：采用数字误差校正技术，确保在成像等应用中具有优秀的差分线性度。
• 低失真和高信噪比：为电信、视频和测试仪器等应用提供了额外的性能余量。

（二）应用领域

ADS900的应用范围广泛，涵盖了便携式仪器、中频和基带通信、电缆调制解调器、机顶盒、便携式测试设备以及计算机扫描仪等领域。

二、关键参数与性能指标

（一）绝对最大额定值

在使用ADS900时，需要注意其绝对最大额定值。例如，模拟输入电压不能超过电源电压 +0.3V，逻辑输入电压同理，芯片的工作温度范围也有明确限制。此外，该集成电路对静电放电（ESD）敏感，在操作过程中需要采取适当的防静电措施。

（二）电气特性

• 分辨率：指定温度范围为 -40°C至 +85°C，分辨率为10位，能满足大多数中等精度的应用需求。
• 模拟输入：单端满量程输入范围为1V至2V，差分满量程输入范围为0.5Vp - p×2。输入阻抗高达5MΩ，输入偏置电流仅为5pA。
• 数字输入：逻辑电平兼容TTL/HCT和CMOS，高输入电压为2.0V，低输入电流为5pA。
• 转换特性：采样速率为20M Samples/s，数据延迟为5个时钟周期，启动转换信号的上升沿触发转换。

（三）动态特性

• 差分线性误差：在不同频率下表现出色，如在f = 500kHz时，最大误差为 ±0.7 LSBs；在f = 10MHz时，最大误差为 ±1.0 LSBs。
• 无失码：保证在10位分辨率下无失码现象，确保数据的准确性。
• 信噪失真比（SINAD）：在f = 500kHz， - 1dBFS输入时，SINAD可达49dB，能有效还原输入信号。

（四）数字输出

数字输出为CMOS逻辑电平，采用直偏移二进制编码。高输出电压VOH为 +2.4V，低输出电压VOL为 +0.4V。通过驱动OE引脚为高电平，可将数字输出设置为高阻态，方便进行测试。

（五）电源要求

电源电压范围为 +2.7V至 +3.7V，工作电流在18mA至22mA之间，功耗在52mW至66mW之间。在掉电模式下，功耗可降至10mW，进一步节省能源。

三、工作原理

（一）采样保持电路

ADS900的采样保持电路由内部时钟控制，时钟信号为非重叠的两相信号φ1和φ2。在采样时刻，输入信号被采样到输入电容的下极板；在φ2时钟相位，输入电容的下极板连接在一起，反馈电容切换到运算放大器的输出，完成一次采样保持周期。该电路将单端输入信号转换为全差分信号，提高了信噪比。

（二）流水线量化器

流水线量化器架构包含9个阶段，每个阶段由一个2位量化器和一个2位数模转换器（DAC）组成。每个2位量化器在子时钟的边沿进行转换，输出信号经过延迟线与后续量化器的输出进行时间对齐，然后通过数字误差校正电路调整输出数据，保证了10位分辨率下的出色线性度和无失码特性。

四、应用设计要点

（一）模拟输入驱动

• 交流耦合单端接口电路：可使用高速运算放大器（如OPA650、OPA658、OPA680和OPA681）构建交流耦合单端接口电路。通过电容C1和电阻R1组成的高通滤波器，可设置 - 3dB频率。内部参考电路提供的中点电压可用于偏置输入信号。
• 单电源应用电路：在单电源应用中，可使用电容和电阻调整运算放大器的直流增益，同时使用电阻RS隔离运算放大器的输出和容性负载，避免增益峰值或振荡。

（二）数字输出数据

• 数据格式：10位输出数据采用直偏移二进制编码，从启动转换信号到有效输出数据有5.0个时钟周期的延迟。
• 高阻态控制：通过驱动OE引脚为高电平，可将数字输出设置为高阻态，但不建议动态使用该功能。同时，数字输出的容性负载应保持在15pF以下。

（三）差分模式操作

在差分配置下，ADS900的无杂散动态范围（SFDR）和总谐波失真（THD）性能会有一定提升。可使用带中心抽头的RF变压器将单端信号转换为差分信号，直接与ADS900接口。变压器能在不增加噪声和失真的情况下提升信号幅度，同时实现前端与转换器的电气隔离。

（四）内部参考

ADS900的内部参考电路为内部各级提供固定的参考电压。通过在引脚21和25连接外部旁路电容（通常为0.1µF），可提高性能。但要注意，引脚23提供的 +1.0V电压未经过缓冲，使用时需谨慎。

（五）时钟输入要求

时钟输入支持 +5V或 +3V的CMOS逻辑电平。为了实现最小的占空比变化和最大采样速率（20Msps），建议使用高速或先进的CMOS逻辑（如HC/HCT、AC/ACT）。在高采样速率下，推荐50%的占空比和快速的上升/下降时间（2ns或更短）。同时，要特别注意时钟抖动，因为它会导致孔径抖动，影响信噪比性能。

（六）数字输出接口

数字输出为标准CMOS级，兼容高速TTL和CMOS逻辑系列。通过调整LVDD引脚的电压，可改变数字输出电平。为了控制容性负载，建议将扇出限制为1。必要时，可使用外部缓冲器或锁存器隔离ADC与总线的数字活动，避免高频噪声影响性能。

（七）掉电模式

通过将Power Down引脚（Pin 17）置为高电平，可启动掉电模式，此时电源电流可降低约70%。掉电期间，数字输出设置为三态，转换器不处理采样信号。移除掉电条件后，接下来的5个时钟周期内输出数据无效。

（八）去耦和接地考虑

ADS900有多个电源引脚，其中一个专门为输出驱动器供电。由于芯片内部模拟和数字电源引脚相连，建议将其视为模拟组件，仅使用模拟电源供电。为了减少电源和参考线上的高频瞬变和噪声，需要在电源和参考引脚处进行充分的旁路。通常，使用0.1µF的陶瓷芯片电容，并将其尽可能靠近电源引脚放置。

五、总结

ADS900作为一款高性能的10位模数转换器，凭借其高速、低功耗、出色的线性度和高信噪比等特性，在众多应用领域中展现出强大的竞争力。在设计使用ADS900时，工程师需要充分考虑其各项参数和应用要点，合理设计外围电路，以确保系统的性能和稳定性。你在使用类似ADC时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。