ADC0820-N：高性能8位A/D转换器的深度解析

在电子设计领域，A/D转换器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稳定性。今天，我们就来深入探讨德州仪器（TI）的一款高性能8位A/D转换器——ADC0820-N。

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一、产品概述

ADC0820-N是一款具有跟踪/保持功能的8位高速μP兼容A/D转换器。它采用了半闪存转换技术，能够在1.5μs内完成一次转换，同时功耗仅为75mW，非常适合对速度和功耗有较高要求的应用场景。该转换器具有内置的跟踪和保持功能，无需外部时钟，单电源5V供电，并且可以方便地与各种微处理器接口，也可以独立工作。

二、产品特性

2.1 功能特性

• 内置跟踪和保持功能：能够对输入信号进行有效的跟踪和保持，确保在转换过程中信号的稳定性，无需额外的外部采样保持电路。
• 无丢失码：保证了转换结果的准确性，避免了因丢失码而导致的误差。
• 单电源5V供电：简化了电源设计，降低了系统的复杂度和成本。
• 易于与微处理器接口：可以作为一个内存位置或I/O端口与微处理器进行通信，无需外部接口逻辑。
• 锁存三态输出：方便与其他数字电路进行连接，提高了系统的灵活性。
• 逻辑输入和输出符合MOS和TTL电压电平规范：具有良好的兼容性，可以与不同类型的逻辑电路配合使用。
• 可比例运算或使用任意参考值：参考电压可以根据实际需求进行调整，最大参考电压不超过Vcc，提高了转换器的适用性。
• 0V至5V模拟输入电压范围：可以直接处理常见的模拟信号，无需额外的信号调理电路。
• 无需零位或满量程调整：减少了调试工作量，提高了生产效率。
• 溢出输出可用于级联：方便扩展转换器的位数，实现更高的分辨率。

2.2 封装特性

ADC0820-N提供了多种封装形式，包括0.3英寸标准宽度的20引脚PDIP、20引脚PLCC和20引脚SOIC，用户可以根据实际应用需求选择合适的封装。

三、关键规格参数

3.1 分辨率

ADC0820-N的分辨率为8位，能够提供256个量化等级，满足大多数中等精度的应用需求。

3.2 转换时间

• RD模式：最大转换时间为2.5μs，典型值为1.6μs。
• WR - RD模式：最大转换时间为1.5μs。

3.3 功耗

最大功耗为75mW，具有较低的功耗特性，适合电池供电的应用场景。

3.4 总未调整误差

总未调整误差包括偏移、满量程和线性误差，分为±½ LSB和± 1 LSB两种规格。

四、功能描述

4.1 总体操作

ADC0820-N使用两个4位闪存A/D转换器来实现8位测量。每个闪存ADC由15个比较器组成，通过将未知输入与参考梯形电阻网络进行比较，得到4位结果。在进行完整的8位读取时，首先进行一次闪存转换，得到4个最高有效数据位（MSB）。然后，由这4个MSB驱动一个内部DAC，重新创建输入电压的模拟近似值。接着，将这个模拟信号从输入中减去，得到的差值电压由第二个4位闪存ADC（LSB）进行转换，得到4个最低有效数据位。

4.2 采样数据比较器

ADC0820-N中的每个比较器由一个具有电容耦合输入的CMOS反相器组成。模拟开关将两个比较器输入连接到输入电容C，并将反相器的输入和输出连接起来。一次比较需要两个周期，第一个周期用于将比较器归零，第二个周期用于进行比较。

4.3 架构

在ADC0820-N中，每个4位闪存A/D转换器使用一组15个比较器，MS闪存ADC还额外有一个比较器用于检测输入超量程。这两组比较器交替工作，一组处于归零周期时，另一组进行比较。

4.4 数字接口

ADC0820-N具有两种基本的接口模式，通过将MODE引脚拉高或拉低来选择。

• RD模式：当MODE引脚接地时，转换器设置为读取模式。在这种模式下，通过将RD引脚拉低直到输出数据出现，完成一次完整的转换。同时，提供了一个INT线，在转换结束时变为低电平，以及一个RDY输出，可以用于向处理器发出转换器忙的信号，也可以作为系统传输确认信号。
• WR - RD模式：当MODE引脚拉高时，A/D设置为WR - RD模式。在这种模式下，转换由WR输入启动。读取输出数据有两种选择，如果需要中断驱动方案，用户可以等待INT变为低电平后再读取转换结果；如果需要更短的转换时间，处理器可以在600ns后直接进行读取。

五、模拟考虑因素

5.1 参考和输入

ADC0820-N的两个VREF输入是完全差分的，定义了A/D转换器的零到满量程输入范围。通过调整VREF的电压差，可以轻松改变模拟输入的跨度，提高转换器的灵敏度。同时，这种参考设计还允许输入跨度不仅可以变化，还可以从零点偏移，为大多数测量应用提供了近乎差分输入的能力。

5.2 输入电流

由于ADC0820-N采用了独特的转换技术，其模拟输入的行为与传统设备有所不同。在转换过程中，采样数据比较器会根据转换周期的不同，吸收不同量的输入电流。在转换开始时，所有输入开关闭合，将VIN连接到31个1pF的电容器上。因此，输入电容需要通过模拟开关的导通电阻（约5kΩ至10kΩ）充电到输入电压，同时还需要对约12pF的输入杂散电容进行充电。

5.3 输入滤波

在大多数情况下，由于流入VIN的充电电流引起的模拟输入信号中的瞬变不会影响A/D的性能。因为在WR为低电平时，比较器的输出不会被锁存，所以会有至少600ns的时间来对ADC的输入电容进行充电。因此，通常不需要在VIN端子上添加外部电容来过滤这些瞬变。

5.4 固有采样保持

ADC0820-N的输入机制具有一个重要的优点，即它能够在不需要外部采样保持电路的情况下测量各种高速信号。由于采样数据比较器的输入切换特性，虽然ADC0820-N的转换时间为1.5μs，但VIN只需要在WR为低电平时保持1/2 LSB的稳定性。输入信号的压摆率通常低于100mV/μs时，可以无误差地进行转换。

六、典型应用

ADC0820-N具有广泛的应用场景，包括但不限于以下几个方面：

• 8位分辨率配置：适用于对分辨率要求为8位的一般测量和控制系统。
• 9位分辨率配置：通过级联多个ADC0820-N，可以实现更高的分辨率，满足对精度要求更高的应用。
• 电信A/D转换：在电信系统中，用于模拟信号的数字化处理。
• 多输入通道应用：可以同时处理多个模拟输入信号，实现多通道的数据采集。
• 8位2象限模拟乘法器：在模拟信号处理中，实现乘法运算。
• 快速无限采样保持：能够快速对高速信号进行采样和保持，为后续的处理提供稳定的信号。
• 数字波形记录器：用于记录模拟信号的波形，方便后续的分析和处理。

七、总结

ADC0820-N是一款性能优异的8位A/D转换器，具有高速、低功耗、易于接口等优点。其独特的半闪存转换技术和采样数据比较器设计，使其在处理高速信号时具有出色的性能。同时，丰富的功能特性和多种封装形式，使其能够满足不同应用场景的需求。在实际设计中，电子工程师可以根据具体的应用需求，合理选择ADC0820-N，并结合其特性进行优化设计，以实现最佳的系统性能。你在使用A/D转换器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。