18位5 MSPS PulSAR差分ADC AD7960深度解析

在电子设计领域，高精度、高速度的模数转换器（ADC）一直是关键组件。今天，我们来深入了解一款来自Analog Devices的18位、5 MSPS PulSAR差分ADC——AD7960，它在多个领域有着广泛的应用，下面将从特性、工作原理、应用场景等方面进行详细介绍。

文件下载：AD7960.pdf

1. AD7960的特性亮点

1.1 高分辨率与高性能

AD7960具备18位分辨率，且无丢失码，这意味着它能够提供非常精确的转换结果。在AC和DC性能方面表现卓越，动态范围可达100 dB，信噪比（SNR）为99 dB，总谐波失真（THD）低至 -117 dB，积分非线性（INL）典型值为±0.8 LSB，最大值为±2 LSB，差分非线性（DNL）典型值为±0.5 LSB，最大值为±0.99 LSB。这些出色的指标使得它在对精度要求极高的应用中表现出色。

1.2 宽输入电压范围

其真正的差分模拟输入电压范围为±4.096 V或±5 V，能够适应不同的输入信号，为设计提供了更大的灵活性。

1.3 低功耗设计

在不同的工作模式下，AD7960都展现出了良好的功耗特性。例如，在5 MSPS且使用外部参考缓冲器（回波时钟模式）时，功耗为46.5 mW；使用内部参考缓冲器（回波时钟模式）时，功耗为64.5 mW；在自时钟模式（CNV±为CMOS模式）且使用外部参考缓冲器时，功耗为39 mW。这种低功耗设计有助于降低系统的整体功耗，延长设备的续航时间。

1.4 多种工作模式与接口

采用SAR架构，无延迟/流水线延迟，支持外部参考选项，包括2.048 V缓冲至4.096 V（内部参考缓冲器）、4.096 V和5 V。具备串行LVDS接口，支持自时钟模式和回波时钟模式，并且CNV±信号可选择LVDS或CMOS模式进行转换控制，适用于不同的应用场景和系统架构。

1.5 宽温度范围

工作温度范围为 -40°C至 +85°C，能够在较为恶劣的环境条件下稳定工作，保证了设备的可靠性。

2. 工作原理

2.1 转换过程

AD7960基于电荷再分配逐次逼近（SAR）架构，其电容式DAC由两个相同的18位二进制加权电容阵列组成，连接到两个比较器输入。在采集阶段，电容阵列的端子通过SW+和SW - 连接到GND，所有独立开关连接到模拟输入，此时电容阵列作为采样电容采集IN+和IN - 输入上的模拟信号。当采集阶段完成且CNV±输入变高时，转换阶段开始。转换时，SW+和SW - 首先打开，电容阵列与输入断开并连接到GND输入，采集阶段结束时捕获的输入（IN+和IN -）之间的差分电压被应用到比较器输入，使比较器失衡。通过将电容阵列的每个元素在GND和REF（参考电压）之间切换，比较器输入以二进制加权电压步长（VREF/2、VREF/4 … VREF/262,144）变化。控制逻辑首先切换MSB，使比较器恢复平衡，最终生成ADC输出代码。

2.2 数据传输

AD7960的数字接口使用低电压差分信号（LVDS）实现高速数据传输。转换结果在tMSB（从转换开始到MSB可用的时间）过后可供读取，用户需要向AD7960施加突发LVDS CLK±信号将数据传输到数字主机。CLK±信号将ADC转换结果输出到数据输出D±。

3. 典型应用场景

3.1 数字成像系统

在数字X射线、计算机断层扫描（CT）和红外（IR）相机等数字成像系统中，AD7960的高分辨率、低噪声和高速度特性能够满足对图像质量和数据采集速度的要求，有助于提高成像的清晰度和准确性。

3.2 高速数据采集

在需要高速采集数据的应用中，如光谱学、测试设备等，AD7960的5 MSPS吞吐量能够快速准确地采集数据，为后续的分析和处理提供可靠的数据基础。

3.3 MRI梯度控制

在磁共振成像（MRI）系统中，AD7960可用于梯度控制，其高精度和低噪声特性有助于提高MRI图像的质量和稳定性。

4. 电压参考选项

AD7960允许对参考电压进行缓冲，有三种外部参考使用选项：

• 外部缓冲的5 V参考源应用于REF引脚。
• 外部缓冲的4.096 V参考源应用于REF引脚。
• 2.048 V外部参考应用于REFIN引脚（高阻抗输入），片上缓冲器将其增益2倍并驱动REF引脚输出4.096 V。

通过EN1和EN0引脚可以控制不同的参考选项，EN2控制 -3 dB输入带宽，EN3控制VCM参考输出。使用5 V外部电压参考选项可实现最佳的SNR和动态范围性能，约提高1.7 dB。

5. 电源与布局注意事项

5.1 电源

AD7960使用5 V（VDD1）、1.8 V（VDD2）电源以及数字输入/输出接口电源（VIO）。建议使用Analog Devices的LDO（如ADP7104 - 5和ADP124 - 1.8）来生成所需电源。在电源上电时，应先给核心电源（1.8 V）上电，然后再给5 V电源上电，最后施加模拟输入。

5.2 布局

在设计印刷电路板时，应将模拟和数字部分分开，避免数字线路在器件下方布线，防止噪声耦合。不要在模拟信号路径附近运行快速开关信号，避免数字和模拟信号交叉。使用至少一个接地平面，可以是公共的或在数字和模拟部分之间分开，在AD7960器件下方连接这些平面。同时，要对REF引脚进行去耦，将参考去耦陶瓷电容靠近REF和REF_GND引脚放置，并使用宽而低阻抗的走线连接。对VDD1、VDD2和VIO电源使用陶瓷电容（通常为100 nF）进行去耦，放置在靠近AD7960的位置，并使用短而宽的走线连接，以提供低阻抗路径并减少电源线上的干扰。

6. 数字接口与转换控制

6.1 转换控制

所有模数转换由CNV±信号控制，该信号可以是CNV +/CNV - LVDS信号，也可以是当CNV - 接地时施加到CNV +引脚的1.8 V CMOS逻辑信号。转换由CNV±信号的上升沿启动。

6.2 数字接口模式

• 回波时钟接口模式：该模式只需要数字主机上的一个移位寄存器，适用于多种数字主机（如FPGA、移位寄存器和微处理器）。需要三个LVDS对（D±、CLK±和DCO±）。时钟DCO±是CLK±的缓冲副本，与数据D±同步，数据在DCO±的下降沿更新。转换由CNV±脉冲的上升沿启动，在转换期间忽略额外的CNV±脉冲。tMSB过后，主机开始发送CLK±脉冲，在tCLKL之前完成18个CLK±脉冲的发送，否则数据会丢失。
• 自时钟模式：该模式将ADC和数字主机之间的走线数量减少到两个LVDS对（CLK±和D±），多个AD7960设备可以共享一个公共的CLK±信号。每个ADC数据字前面有一个010头序列，用于在数字主机中同步D±数据。转换由CNV±脉冲启动，tMSB过后，主机开始发送CLK±信号，必须在tMSB和后续的tCLKL之间完成20个CLK±脉冲的发送，否则数据会被覆盖。

7. 总结

AD7960作为一款高性能的18位、5 MSPS PulSAR差分ADC，凭借其高分辨率、低功耗、多种工作模式和接口等特性，在数字成像、高速数据采集、MRI梯度控制等多个领域有着广泛的应用前景。在设计过程中，合理选择电压参考选项、注意电源和布局，正确使用数字接口和转换控制模式，能够充分发挥AD7960的性能优势，为电子系统的设计带来更高的精度和可靠性。各位电子工程师在实际应用中，不妨根据具体需求，深入挖掘AD7960的潜力，创造出更优秀的设计作品。