德州仪器ADS901：10位20MHz模数转换器的深度剖析

在电子工程师的日常工作中，模数转换器（ADC）是一个至关重要的组件，它能够将模拟信号转换为数字信号，广泛应用于各种电子设备中。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（Texas Instruments）的ADS901，这是一款高性能的10位、20MHz、+3V供电的模数转换器。

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一、ADS901概述

1.1 产品特性

ADS901具有众多出色的特性，使其在众多应用场景中脱颖而出。它采用+3V电源供电，功耗低至48mW，电源范围为+2.7V至+3.7V，能够适应不同的电源环境。通过外部参考可调节满量程范围，且无漏码现象，保证了转换的准确性。其宽带跟踪/保持电路带宽高达350MHz，还具备15mW的低功耗掉电模式，采用SSOP - 28封装，体积小巧，便于集成。

1.2 产品描述

ADS901是一款高速流水线式模数转换器，包含宽带跟踪/保持电路和10位量化器。它采用数字误差校正技术，为要求苛刻的成像应用提供出色的差分线性度。低失真和高信噪比使其适用于电信、视频和测试仪器等应用。

二、关键参数与性能指标

2.1 绝对最大额定值

在使用ADS901时，需要注意其绝对最大额定值，以避免对芯片造成损坏。例如，电源电压为+5 - 6V，模拟输入电压为VS + 0.3V，逻辑输入电压为+VS + 0.3V，结温为+150°C，存储温度为 - 40°C至+125°C等。同时，该集成电路对静电放电（ESD）敏感，德州仪器建议采取适当的防静电措施。

2.2 电气特性

ADS901的电气特性在不同的条件下表现出色。在TA = +25°C、VS = LVDD = +3V、REFB = 1V、REFT = 2V、指定输入范围为1V至2V、采样率为20MHz的条件下，其分辨率为10位，指定温度范围为 - 40°C至+85°C。在动态特性方面，不同频率下的差分线性误差、积分非线性误差、无杂散动态范围、信噪比等指标都表现良好。例如，在f = 500kHz时，无杂散动态范围可达50dBFS，信噪比可达53dB。

三、引脚配置与功能

3.1 引脚配置

ADS901采用SSOP - 28封装，引脚分布合理。其引脚包括模拟电源引脚（+VS）、输出逻辑驱动电源引脚（LVDD）、数据位引脚（Bit1 - Bit10）、模拟地引脚（GND）、转换时钟输入引脚（CLK）、输出使能引脚（OE）、掉电引脚（Pwrdn）等。

3.2 引脚功能

每个引脚都有其特定的功能。例如，CLK引脚用于输入转换时钟信号，控制转换的时序；OE引脚用于控制输出使能，当为低电平时，数字输出正常工作；Pwrdn引脚用于控制掉电模式，当为高电平时，芯片进入低功耗掉电模式。

四、工作原理

4.1 采样与跟踪/保持

ADS901利用流水线架构进行高速采样。其差分跟踪/保持电路由内部时钟控制，通过非重叠的两相信号φ1和φ2控制开关。在采样时刻，输入信号被采样到输入电容的底板上，在下一个时钟相位φ1，输入电容的底板连接在一起，反馈电容切换到运算放大器的输出，完成一次跟踪/保持周期。

4.2 量化与数字误差校正

流水线量化器架构有9个阶段，每个阶段包含一个两位量化器和一个两位数模转换器。每个两位量化器阶段在子时钟的边缘进行转换，输出数据通过延迟线进行时间对齐，然后输入到数字误差校正电路，该电路可以根据冗余位的信息调整输出数据，保证了10位级别的差分线性度和无漏码。

4.3 共模电压与输出编码

为了适应双极性信号摆动，ADS901使用由外部参考得出的共模电压（VCM），VCM = (REFT + REFB) / 2。从启动转换信号到有效输出数据有5.0个时钟周期的数据延迟，标准输出编码为直偏移二进制，满量程输入信号对应输出全为“1”。

五、应用与设计考虑

5.1 信号摆动与共模考虑

ADS901设计用于+3V单电源电压，标称输入信号摆动为1Vp - p，位于+1V和+2V之间，信号围绕+1.5V的共模电压摆动±0.5V。在某些应用中，可以适当增加输入信号摆动以提高信噪比，但需要注意保持信号摆动在驱动电路的线性工作范围内，避免过度失真。

5.2 驱动电路设计

5.2.1 AC - 耦合驱动电路

在AC - 耦合驱动电路中，输入耦合电容C1和电阻R1形成高通滤波器，输入阻抗由R1定义。在单电源应用中，通过电容CG设置非反相运算放大器输入的直流增益为+1V/V，修改传输函数。电阻RS用于隔离运算放大器的输出和电容负载，避免增益峰值或振荡。

5.2.2 DC - 耦合接口电路

对于DC - 耦合配置，如使用OPA632作为驱动电路，其具有宽输入和输出电压范围、低失真的特点，能够很好地支持ADS901。通过输入级的电阻进行电平转换，使输入电压在0V至5V之间时，输出电压在1V至2V之间，满足ADS901的输入要求。

5.3 外部参考设计

5.3.1 低成本参考解决方案

将ADS901的参考梯形电阻放置在电源轨之间，通过两个额外的电阻（RT，RB）设置通过梯形电阻的正确电流。但这种方法会因组件公差和电源变化导致参考电压变化，建议使用至少0.1µF的陶瓷电容对参考梯形电阻进行旁路，以减少高频瞬态噪声和提供瞬时电流。

5.3.2 精确参考解决方案

对于需要更高直流精度和漂移的应用，可以使用具有精密参考元件的参考电路，如使用REF1004 - 1.2建立稳定的+1.2V参考电压，通过通用单电源双运算放大器（如OPA2237、OPA2234或OPA2343）生成所需的参考电压。

5.4 时钟输入与数字输出

5.4.1 时钟输入

ADS901的时钟输入设计支持+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率（20Msps），建议使用高速或先进的CMOS逻辑。在高采样率数字化时，推荐使用50%占空比、快速上升和下降时间（2ns或更短）的时钟，以满足额定性能规格。

5.4.2 数字输出

ADS901的数字输出有5.0个时钟周期的数据延迟，标准输出编码为直偏移二进制。数字输出可以通过将三态引脚（引脚16）驱动为逻辑“HI”设置为高阻抗状态，正常操作时引脚16为“LO”或浮空。数字输出是标准的CMOS级，与高速TTL和CMOS逻辑系列兼容，使用专用的数字电源引脚（引脚2，LVDD），通过调整LVDD上的电压可以改变数字输出电平。

5.5 掉电模式与去耦接地

5.5.1 掉电模式

通过将Pwrdn引脚（引脚17）连接到逻辑“High”，可以将ADS901的功耗进一步降低约70%。在正常操作中，内部下拉电阻（50kΩ）禁用掉电模式。

5.5.2 去耦接地

ADS901有多个电源引脚，建议将其视为模拟组件，仅从模拟电源供电，以避免数字电源线上的高噪声耦合到转换器中。同时，需要对电源和参考引脚进行充分的旁路，使用0.1µF的陶瓷芯片电容，且应尽可能靠近电源引脚放置，以降低宽频率范围内的阻抗。

六、总结

ADS901作为一款高性能的模数转换器，具有低功耗、高速度、高精度等优点，适用于多种应用场景。在设计过程中，需要充分考虑其各项参数和性能指标，合理设计驱动电路、外部参考电路、时钟输入和数字输出等部分，同时注意去耦接地和掉电模式的使用，以确保其性能的稳定和可靠。希望本文对电子工程师在使用ADS901进行设计时有所帮助，你在实际应用中是否遇到过类似ADC的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。