德州仪器ADS820：高性能10位20MHz采样A/D转换器深度剖析

在电子工程师的日常工作中，选择一款合适的模数转换器（A/D）至关重要。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）的ADS820，一款低功耗、高性能的10位、20MHz采样A/D转换器。

文件下载：ads820.pdf

一、产品概述

ADS820采用小几何尺寸CMOS工艺制造，是一款单片式A/D转换器。它集成了10位量化器、内部跟踪保持电路、参考电压源，还具备掉电功能。该转换器仅需单一的+5V电源供电，并且可以配置为接受差分或单端输入信号。

（一）主要特性

• 无漏码：确保转换结果的准确性和完整性。
• 内部参考电压：简化了外部电路设计，提高了系统的稳定性。
• 低差分线性误差：典型值为±0.15LSB，最大值为±0.2LSB，保证了高精度的转换。
• 低功耗：仅195mW，适合对功耗要求较高的应用场景。
• 高信噪比（SNR）：可达60dB，能有效减少噪声干扰，提高信号质量。
• 宽带跟踪/保持：带宽高达65MHz，可处理高频信号。

（二）应用领域

ADS820的高性能使其在多个领域得到广泛应用，如机顶盒、电缆调制解调器、视频数字化、CCD成像、摄像机、复印机、扫描仪、安全摄像头以及中频和基带数字化等。

二、产品规格

（一）绝对最大额定值

在使用ADS820时，必须注意其绝对最大额定值，超过这些额定值可能会导致器件永久性损坏。例如，模拟输入电压范围为+V+300V，逻辑输入电压范围为+VS+400V，结温最高为150°C，存储温度范围为-65°C至+125°C等。

（二）封装与订购信息

ADS820提供SO-28封装，指定的工作温度范围为-40°C至+85°C。具体的订购信息可参考文档末尾的封装选项附录或TI官网（www.ti.com）。

（三）电气特性

在TA = +25°C、VS = +5V、采样率为20MHz、时钟占空比为50%且上升/下降时间为2ns的条件下，ADS820表现出了优异的电气性能。例如，分辨率为10位，输入阻抗为1.25MΩ//4pF，数字输入逻辑与TTL/HCT兼容的CMOS逻辑，转换命令为下降沿触发等。

三、工作原理

（一）采样与跟踪保持

ADS820采用全差分架构和数字误差校正技术，以确保10位的分辨率。其差分跟踪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；在接下来的时钟相位φ2，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，完成一次跟踪保持循环。该电路还可以将单端输入信号转换为全差分信号供量化器使用。

（二）流水线量化器架构

ADS820的流水线量化器架构包含九个阶段，每个阶段包含一个2位量化器和一个2位数字模拟转换器（DAC）。每个2位量化器阶段在子时钟的边缘进行转换，子时钟频率是外部时钟频率的两倍。每个量化器的输出被送入各自的延迟线，以与后续量化器阶段产生的数据进行时间对齐。对齐后的数据被送入数字误差校正电路，该电路可以根据冗余位的信息调整输出数据，从而保证了ADS820出色的差分线性度和无漏码特性。

（三）数据延迟

从启动转换信号到有效输出数据存在6.5个时钟周期的数据延迟。输出数据可以采用直偏二进制（SOB）或二进制补码（BTC）格式。

四、模拟输入与内部参考

（一）输入配置

ADS820的模拟输入可以根据信号的性质和所需的性能水平进行多种配置。其内部参考电压设置了A/D转换器的满量程输入范围，差分输入范围以+2.25V的共模电压为中心，每个输入的满量程范围为+1.25V至+3.25V，因此量化器的差分输入信号为4V。

（二）参考电压

正满量程参考电压（REFT）和负满量程参考电压（REFB）引出用于外部旁路，共模（CM）电压可作为参考为驱动电路提供适当的偏移。但需要注意的是，不要过度加载该参考节点，以免影响内部参考梯的线性度。

五、时钟要求

CLK引脚接受CMOS电平的时钟输入，外部施加的转换命令时钟的上升沿和下降沿控制流水线中的各个级间转换。因此，时钟的占空比应保持在50%，抖动要小，上升和下降时间应在2ns或更短。特别是在对高频输入信号进行数字化处理和以最大采样率工作时，这一点尤为重要。如果占空比偏离50%，会缩短一些级间的建立时间，从而降低信噪比（SNR）和差分非线性（DNL）性能。

六、数字输出数据

ADS820的10位输出数据为CMOS逻辑电平。标准输出编码为直偏二进制（SOB），当输入信号为满量程时，输出全为“1”。通过将引脚19置为高电平，可以获得二进制补码（BTC）输出，此时最高有效位会被反转。数字输出可以通过将OE（引脚18）置为逻辑高电平设置为高阻抗状态，正常工作时引脚18为低电平或浮空。

七、应用电路设计

（一）驱动电路

• 变压器耦合：对于交流耦合应用，可以使用变压器将单端输入转换为差分输入。选择低失真且在满量程电压下不会出现磁芯饱和的变压器，并将变压器的中心抽头连接到+2.25V的共模电压。同时，要注意将CM输出引脚的电流消耗保持在0.5µA以下，以避免内部参考梯的非线性。
• 电阻电容网络：另一种低成本的接口电路是使用电阻和电容代替变压器。根据信号带宽，需要仔细选择组件值，以保持数据手册中规定的性能。输入电容和电阻构成高通滤波器，通过增加电阻或电容的值可以降低截止频率。为了在整个信号频段内保持低交流耦合阻抗，可以在极化电容上并联一个小值（如1µF）的陶瓷电容。
• 直流耦合：如果信号需要直流耦合到ADS820的输入，则需要使用运算放大器输入电路。在差分输入模式下，可以使用两个运算放大器将单端信号转换为差分信号。

（二）外部参考与满量程范围调整

ADS820的内部参考缓冲器输出电流限制约为1mA，因此可以使用具有至少18mA输出驱动能力的外部参考来替代内部的+1.25V和+3.25V参考。通过调整外部参考，可以调整增益误差、改善增益漂移或改变ADS820的满量程输入范围。

（三）PCB布局与旁路

良好的PCB布局对于ADS820的正常工作和频谱响应至关重要。建议采用多层PCB，将模拟和数字接地引脚直接连接到模拟接地平面，电源引脚应尽可能靠近引脚使用0.1µF的陶瓷电容进行旁路。

八、动态性能测试与定义

（一）测试方法

为了准确测试ADS820的动态性能，需要使用高精度的锁相信号源，如HP8644A信号发生器和HP8022A脉冲发生器。同时，对测试信号进行低通滤波（或带通滤波）是必要的，以测试ADS820的低失真特性。使用略低于满量程的信号幅度可以为噪声或直流偏置电压留出一定的余量，避免A/D转换器过载和信号峰值削波。

（二）性能定义

• 信号与噪声和失真比（SINAD）：$10 log frac{ Sinewave Signal Power }{ Noise + Harmonic Power (first 15 harmonics) }$
• 信噪比（SNR）：$10 log frac{ Sinewave Signal Power }{ Noise Power }$
• 互调失真（IMD）：$10 log frac{ Highest IMD Pr oduct Power (to 5 th order) }{ Sinewave Signal Power }$

ADS820以其高性能、低功耗和灵活的配置特性，在众多应用领域展现出了强大的竞争力。作为电子工程师，我们在设计过程中需要充分考虑其各项特性和要求，合理设计应用电路，以确保系统的性能和稳定性。希望通过本文的介绍，能帮助大家更好地了解和使用ADS820这款优秀的A/D转换器。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。