ADC3581 技术文档总结

ADC358x 是一款低噪声、超低功耗 18 位 65 MSPS 高速 ADC 系列。它专为低噪声性能而设计，可提供 -160 dBFS/Hz 的噪声频谱密度以及出色的线性度和动态范围。ADC358x 提供非常好的直流精度以及 IF 采样支持，使其适用于广泛的应用。高速控制环路受益于低至1个时钟周期的短延迟。ADC在65 Msps时仅消耗119 mW，其功耗在较低采样率下可很好地扩展。
*附件：adc3581.pdf

ADC358x 使用串行 LVDS （SLVDS） 接口输出数据，从而最大限度地减少数字互连的数量。该设备支持单通道和双通道选项。ADC358x 是一个引脚对引脚兼容系列，具有不同的速度等级。它采用 40 引脚 QFN 封装 （5 x 5 mm），支持 -40 至 +105⁰C 的扩展工业温度范围。

特性

• 18 位 10/25/65 MSPS ADC
• 本底噪声：-160 dBFS/Hz
• 超低功耗，优化功率缩放：77 mW （10 MSPS） 至 119 mW （65 MSPS）
• 延迟：1个时钟周期（1线SLVDS）
• 指定的 18 位，无缺失代码
• INL/DNL：±7/ ±0.7 LSB（典型值）
• 参考：外部或内部
• 输入带宽：900 MHz （3dB）
• 工业温度范围：-40 至 +105°C
• 片上数字滤波器（可选）
  • 抽取 2、4、8、16、32
  • 32 位 NCO
• 串行LVDS数字接口（2线、1线和1/2线）
• 小尺寸：40-WQFN （5x5 mm） 封装
• 光谱性能 （f 在 = 1 MHz）：
  • 信噪比：84.5 dBFS
  • SFDR：95 dBc HD2、HD3
  • SFDR：100 dBFS 最差支线
• 光谱性能 （f 在 = 20 兆赫）：
  • 信噪比：83.5 dBFS
  • SFDR：90 dBc HD2、HD3
  • SFDR：95 dBFS 最差支线

参数

方框图

一、产品定位与核心属性

ADC3581 是德州仪器 ADC358x 系列中的 18 位高速模数转换器（ADC），专为高精度、低噪声场景设计，采样速率固定为 10 MSPS，采用 40 引脚 WQFN（5mm×5mm）封装，支持 - 40°C 至 + 105°C 工业级温度范围。其核心优势在于 18 位高分辨率与低噪声特性（噪声基底 - 151.5 dBFS/Hz）的结合，同时兼顾低功耗（1 线 SLVDS 接口下典型功耗 77 mW），适用于高速数据采集、工业监测、精密仪器仪表等对信号精度要求严苛的场景，且与同系列 ADC3582（25 MSPS）、ADC3583（65 MSPS）引脚兼容，便于方案灵活选型。

二、关键性能参数

1. 精度与线性度

• 分辨率与完整性 ：18 位无缺失码，确保全量程信号转换无遗漏，支持 14/16/18/20 位输出分辨率调整（14/16 位时截断 LSB，20 位时补 0）。
• 线性误差 ：微分非线性（DNL）典型值 ±0.7 LSB、最大值 ±0.9 LSB，积分非线性（INL）典型值 ±7 LSB、最大值 ±16 LSB，有效降低信号失真。
• 直流特性 ：偏移误差（VOS_ERR）典型值 ±10 LSB、最大值 ±410 LSB，偏移漂移（VOS_DRIFT）-0.01 LSB/°C；增益误差（GAIN_ERR）外接 1.6V 参考时典型值 0.44% FSR，内置参考时 - 1.2% FSR，增益漂移（GAIN_DRIFT）外接参考时 0.9 ppm/°C，温漂特性优异，保障宽温环境下精度稳定。

2. 动态性能（典型值，外接 1.6V 参考，-1 dBFS 差分输入）

• 信噪比（SNR） ：1.1 MHz 输入时 84.6 dBFS，4.9 MHz 输入时 83.9 dBFS（最大值），9.9 MHz 输入时 82.9 dBFS，高频场景下仍保持高信号纯净度。
• 无杂散动态范围（SFDR） ：1.1 MHz 输入时 87 dBc，4.9 MHz 输入时 89 dBc（最大值），9.9 MHz 输入时 87 dBc，有效抑制杂散干扰。
• 总谐波失真（THD） ：1.1 MHz 输入时 86 dBc，4.9 MHz 输入时 90 dBc（最大值），9.9 MHz 输入时 89 dBc，低失真特性适配高精度信号采集。
• 噪声谱密度（NSD） ：1.1 MHz 输入、-20 dBFS 时 - 151.5 dBFS/Hz，为微弱信号检测提供基础。

3. 功耗与接口特性

• 功耗 ：模拟电源电流（I_AVDD）典型值 18 mA、最大值 27 mA；1 线 SLVDS 接口下 I/O 电源电流（I_IOVDD）典型值 25 mA、最大值 43 mA，1/2 摆幅模式下可降至 19 mA，2 线模式下 29 mA，功耗灵活可控。
• 延迟 ：1 线 / 1/2 线 SLVDS 接口仅 1 个时钟周期，适配高速控制环路。
• 输入带宽 ：3 dB 带宽 900 MHz，支持中频（IF）采样，无需额外降频电路。

三、硬件设计关键信息

1. 引脚功能与配置

• 模拟输入 ：AINP（引脚 12，正端）、AINM（引脚 13，负端）为差分输入，共模电压（VCM，引脚 8）固定 0.95 V（典型值），输入阻抗 8 kΩ（100 kHz 时）、电容 7 pF（100 kHz 时），满量程输入 3.2 Vpp（差分），需匹配驱动电路输出范围。
• 电源引脚 ：AVDD（引脚 5、15、36）为模拟 1.8 V 电源，IOVDD（引脚 21、30）为数字接口 1.8 V 电源，需独立供电避免数字噪声耦合至模拟电路；GND（含底部散热焊盘）与 IOGND（引脚 26）需单点连接，降低接地噪声。
• 控制与通信引脚 ：
  • PDN/SYNC（引脚 1）：高有效，可配置为电源关断或同步功能，内置 21 kΩ 下拉电阻。
  • RESET（引脚 9）：硬件复位，高有效，内置 21 kΩ 下拉电阻。
  • SPI 接口：SEN（引脚 16，片选，低有效，内置 21 kΩ 上拉至 AVDD）、SCLK（引脚 35，时钟，内置 21 kΩ 下拉）、SDIO（引脚 10，数据 I/O，内置 21 kΩ 下拉），支持 20 MHz 最高时钟频率，24 位数据读写（16 位地址 + 8 位数据）。

2. 参考电压与时钟设计

• 参考电压选项 ：
  • 外接 1.6 V 参考：直接接入 VREF（引脚 2），需搭配 10 μF+0.1 μF 旁路电容，负载电流约 1 mA。
  • 外接 1.2 V 参考：接入 REFBUF（引脚 4），通过内部增益缓冲生成 1.6 V 参考，负载电流 < 100 μA，需在 REFBUF 与 REFGND（引脚 3）间加 10 μF+0.1 μF 旁路电容。
  • 内置参考：生成 1.6 V 参考，输出阻抗 8 Ω，额外消耗 3 mA 模拟电流，适合对成本敏感、精度要求中等的场景。
• 时钟输入 ：支持差分（CLKP 引脚 6、CLKM 引脚 7）与单端输入，差分模式可 AC 耦合（内部自偏置），单端模式需 DC 耦合至 0.9 V 中心电压，且未使用端需 AC 接地；时钟占空比推荐 40%-60%，高摆率时钟可降低孔径抖动（典型值 180 fs）。

3. 数字接口与数据处理

• SLVDS 接口 ：支持 2 线、1 线、1/2 线模式，1 线模式下数据速率 180 MBPS（10 MSPS 时），2 线模式下 90 MBPS/lane，需外部输入 DCLKIN 时钟（差分，V_ID 200-650 mVpp），且与采样时钟频率锁定。
• 数字下变频器（DDC） ：可选 2/4/8/16/32 倍抽取，支持实抽取（低通滤波）与复抽取（含 32 位 NCO，频率可调范围 - FS/2 至 FS/2），复抽取时可通过 DB0/1 接口实现双频段输出，抽取后延迟增加 21-23 个输出时钟周期（依抽取倍数而定）。

四、功能模块与配置

1. 模拟前端优化

• 自动调零（Auto-Zero） ：默认启用，可通过 SPI 寄存器（0x11，D0）关闭，有效降低 1/f 闪烁噪声，提升低频信号采集精度，4M 点 FFT 测试显示启用后低频段噪声抑制显著。
• 采样干扰滤波器 ：推荐根据输入频率选择：DC-30 MHz 场景用 33 Ω 电阻 + 180 nH 电感 + 100 pF 电容；30-70 MHz 场景用 33 Ω 电阻 + 120 nH 电感 + 100 pF+82 pF 电容，吸收采样开关产生的毛刺。

2. 数字功能配置

• 输出格式化 ：支持 14/16/18/20 位输出分辨率，通过输出位映射器（0x39-0x60、0x61-0x88 寄存器）调整位序；数据格式可通过 SPI 寄存器（0x8F、0x92）配置为二进制补码（默认）或偏移二进制。
• 测试模式 ：支持斜坡（RAMP）、自定义固定模式，通过 0x14-0x16 寄存器配置，用于数字接口连通性测试，斜坡步长需匹配 ADC 原生分辨率（18 位对应 00001）。
• 电源管理 ：支持全局电源关断（功耗低至 5 mW，内置参考）与局部模块关断（如时钟缓冲、参考放大器），通过 0x08、0x09、0x0D 寄存器配置，平衡功耗与唤醒时间。

3. SPI 寄存器关键配置

• 接口配置 ：0x07 寄存器选择输出接口映射（18 位 1 线 SLVDS 对应默认配置），0x13 寄存器加载 E-Fuse 配置（需等待 1 ms），0x19 寄存器设置 FCLK 源与分频（复抽取时 FCLK_SRC=1）。
• 抽取配置 ：0x24 寄存器使能 DDC（D1=1）与数字通路（D2=1），0x25 寄存器设置抽取倍数（如 8 倍复抽取对应 0x30），0x2A-0x2D、0x31-0x34 寄存器配置 NCO 频率。
• 增益与相位 ：0x26 寄存器设置 mixer 增益（复抽取推荐 6 dB 补偿混合损耗），0x27、0x2E 寄存器调整 I/Q 输出顺序与延迟。

五、应用设计与布局建议

1. 典型应用电路

以精密工业监测系统为例，前端采用 THS4541 全差分放大器（支持 DC-70 MHz，3.3 V/-1 V 供电时输出摆幅 6.8 Vpp），搭配 DC-30 MHz 采样干扰滤波器，ADC 配置外接 1.6 V 参考（VREF 引脚接 REF5016），数据通过 1 线 SLVDS 传输至 FPGA，时钟采用差分晶振（如 Si5351，抖动 < 100 fs），确保动态性能达标。

2. 电源设计

• 推荐架构 ：采用 “开关电源 + LDO” 组合，如 TPS62821（开关电源，效率 90%+）+TPS7A4701（LDO，噪声 < 10 μVrms），AVDD 与 IOVDD 独立供电，电源路径上串联铁氧体磁珠（如 BLM18PG102SN1）抑制高频噪声。
• 旁路电容 ：AVDD、IOVDD 引脚旁就近放置 10 μF（钽电容）+0.1 μF（陶瓷电容），VREF 引脚旁放置 10 μF+0.1 μF 陶瓷电容，减少电压纹波。

3. 布局 Guidelines

• 模拟信号 ：AINP/AINM、CLKP/CLKM 采用 100 Ω 差分布线，长度匹配（误差 <50 mil），避免过孔；与数字信号（如 DA0/1、DB0/1）间距> 200 mil，减少串扰。
• 参考电压 ：VREF、REFBUF 引脚旁路电容直接焊接在顶层，无过孔，REFGND 与模拟地单点连接。
• 散热 ：底部散热焊盘（GND PAD）需通过过孔连接至内层地平面，确保结温（T_J）不超过 105°C（推荐结温 < 85°C 以延长寿命）。