ADC081000：高性能低功耗8位、1GSPS 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）的一款高性能低功耗8位、1GSPS A/D转换器——ADC081000。

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一、产品概述

ADC081000是一款采用CMOS工艺的A/D转换器，能够以高达1.6GSPS的采样率将模拟信号数字化为8位分辨率的数字信号。它在1GSPS采样率、单1.9V电源供电的情况下，典型功耗仅为1.4W，并且在整个工作温度范围内保证无漏码。该转换器采用独特的折叠和插值架构、全差分比较器设计、创新的内部采样保持放大器设计以及自校准方案，使得所有动态参数在奈奎斯特频率以上都能保持非常平坦的响应。在500MHz输入信号和1GHz采样率的条件下，可实现7.5有效位数（ENOB），误码率（B.E.R.）低至$10^{-18}$。其输出格式为偏移二进制，LVDS数字输出符合IEEE 1596.3 - 1996标准，只是共模电压降低至0.8V。

二、关键特性

（一）高性能

• 高采样率：最高可达1.6GSPS，能够满足高速信号处理的需求。
• 高分辨率：8位分辨率，保证了信号转换的精度。
• 低误码率：B.E.R.低至$10^{-18}$，提高了数据传输的可靠性。
• 宽频带响应：全功率带宽（FPBW）达到1.7GHz，能够处理高频信号。

（二）低功耗

• 正常工作模式：在1GSPS采样率下，典型功耗仅为1.45W。
• 低功耗待机模式：功耗低于10mW，可有效降低系统功耗。

（三）灵活配置

• 可调输出电平：可选择正常或降低的输出电平，降低电平可节省功耗，但可能影响数据捕获的准确性。
• 双满量程范围选择：通过FSR引脚可选择600mVp - p或800mVp - p的全差分输入范围。
• 输出边沿同步：通过OutEdge引脚可选择输出数据在DCLK的上升沿或下降沿转换。

三、引脚功能与配置

ADC081000采用128引脚HLQFP封装，各引脚具有不同的功能。以下是一些关键引脚的介绍：

（一）控制引脚

• OutV：用于设置输出电压幅度，高电平为正常差分输出幅度，低电平为降低的差分输出幅度和功耗。
• OutEdge：选择输出数据的转换边沿，高电平为DCLK + 的上升沿，低电平为下降沿。
• DC_Coup：选择模拟输入的耦合方式，高电平为直流耦合，低电平为交流耦合。
• PD：电源控制引脚，高电平使ADC进入掉电模式，低电平允许正常工作。
• CAL：校准引脚，通过特定的高低电平序列可启动自校准程序。
• FSR：全量程范围选择引脚，高电平为800mVp - p，低电平为600mVp - p。
• CalDly：校准延迟引脚，可选择校准开始的延迟时间。

（二）输入输出引脚

• CLK + /CLK -：差分时钟输入引脚，需交流耦合。
• VIN + /VIN -：模拟信号差分输入引脚。
• D7 - /D7 + 等：LVDS数据输出引脚，需用100Ω差分电阻端接。
• OR + /OR -：超出范围输出引脚，用于指示输入信号是否超出范围。
• DCLK + /DCLK -：差分时钟输出引脚，用于锁存输出数据。

四、电气特性

（一）静态特性

• 积分非线性（INL）：典型值为±0.35LSB，最大值为±0.9LSB。
• 差分非线性（DNL）：典型值为±0.25LSB，最大值为±0.7LSB。
• 偏移误差（VOFF）：典型值为 - 0.45LSB，最小值为 - 1.5LSB，最大值为0.5LSB。

（二）动态特性

• 有效位数（ENOB）：在不同输入频率下，典型值为7.5位，最小值为7.1位。
• 信噪失真比（SINAD）：在不同输入频率下，典型值为47dB，最小值为44.8dB。
• 总谐波失真（THD）：在不同输入频率下，典型值为 - 57dB，最大值为 - 50dB。

（三）电源特性

• 模拟电源电流（IA）：正常工作时典型值为646mA，最大值为792mA；掉电模式下为4.5mA。
• 输出驱动电源电流（IDR）：正常工作时典型值为108mA，最大值为160mA；掉电模式下为0.1mA。
• 功耗（PD）：正常工作时典型值为1.43W，最大值为1.8W；掉电模式下为8.7mW。

五、功能描述

（一）自校准

ADC081000在上电时会自动进行自校准，也可由用户通过命令触发。校准过程会调整100Ω模拟输入差分终端电阻，最小化满量程误差、偏移误差、DNL和INL，从而提高SNR、THD、SINAD（SNDR）、SFDR和ENOB等性能指标。为了获得最佳性能，建议在上电20秒后或环境温度变化超过30°C时重新进行校准。

（二）输入采集

数据在CLK + 引脚的下降沿采集，“D”输出总线在7个时钟周期后、“Dd”输出总线在8个时钟周期后可获得数字等效数据。此外，还有一个内部延迟$t_{OD}$。只要时钟信号存在且PD引脚为低电平，ADC081000就会持续进行转换。

（三）模拟输入

ADC081000必须使用差分输入信号。输入信号可以通过交流耦合或直流耦合的方式连接到输入引脚，具体取决于DC_Coup引脚的设置。当DCCoup引脚为高电平时，输入信号应采用直流耦合，并确保输入共模电压等于并跟踪$V{CMO}$输出电压；当DC_Coup引脚为低电平时，输入信号应采用交流耦合。

（四）时钟

ADC081000需要一个交流耦合的差分时钟信号来驱动。时钟输入引脚的使用方法在文档中有详细描述。此外，还提供了一个差分LVDS输出时钟，用于将ADC输出数据锁存到接收设备中。通过OutEdge输入引脚，可选择输出数据在DCLK的上升沿或下降沿转换。

（五）LVDS输出

数据输出、超出范围（OR）和DCLK输出均为LVDS兼容输出。当OutV输入为高电平时，输出电流源为差分100Ω负载提供3mA输出电流；当OutV输入为低电平时，输出电流为2.2mA。对于短LVDS线路和低噪声系统，可将OutV输入设置为低电平以降低功耗；对于长LVDS线路或噪声较大的系统，建议将OutV引脚拉高。

（六）超出范围指示

当输入信号超出正满量程或负满量程时，OR输出会变为高电平，指示输入信号超出范围。

（七）掉电模式

当PD引脚为高电平时，ADC081000进入掉电模式，功耗降至最低，输出处于高阻态。当返回正常工作模式时，需要刷新流水线中的数据。如果在校准过程中PD输入变为高电平，设备将在校准序列完成后才进入掉电模式；如果上电时PD已经为高电平，设备将在PD输入变为低电平后才开始校准序列。

六、应用信息

（一）参考电压

ADC081000的参考电压由1.254V带隙参考源提供，该参考电压通过$V{BG}$引脚提供给用户，输出电流能力为±100μA。如果需要更大的电流，建议对$V{BG}$输出进行缓冲。内部带隙参考电压决定了全量程峰 - 峰输入摆幅为600mV或800mV，具体取决于FSR引脚的设置。该转换器不支持使用外部参考电压。

（二）模拟输入

模拟输入为差分输入，信号源可以采用交流耦合或直流耦合的方式连接。在使用直流耦合时，必须确保输入共模电压在$V_{CMO}$输出电压的±50mV范围内，以保证最佳性能。如果需要处理单端模拟信号，建议使用合适的巴伦将其转换为差分信号。

（三）时钟输入

ADC081000的差分LVDS时钟输入引脚CLK + 和CLK - 需要一个交流耦合的差分时钟信号来驱动。时钟信号的幅度应在规定的范围内，以避免影响动态性能。为了确保性能，建议输入时钟的占空比在规定范围内，并保持时钟信号的稳定性，减少相位噪声和抖动。

（四）控制引脚

七个控制引脚为ADC081000的操作提供了广泛的可能性，包括全量程输入范围设置、自校准、校准延迟、输出边沿同步选择、LVDS输出电平选择和掉电功能。

（五）数字输出

ADC081000将输出数据解复用至两个LVDS输出总线，每个总线的字速率为ADC采样率的一半。用户需要对这两个总线的数据进行交织，以获得完整的1GSPS转换结果。输出格式为偏移二进制。

（六）电源考虑

为了避免A/D转换器的瞬态电流对电源造成干扰，建议在转换器电源引脚附近放置33μF和0.1μF的电容进行旁路。$V{A}$和$V{DR}$电源引脚应相互隔离，以防止数字噪声耦合到模拟部分。同时，应确保电源电压在规定的范围内，避免电压尖峰对设备造成损坏。

（七）热管理

由于ADC081000的功耗较高，需要注意热管理。建议将芯片的裸焊盘焊接到PCB上，以提供良好的散热路径。同时，可以在PCB上设计一个简单的散热片，通过热过孔将热量传导到另一侧，以降低芯片的结温。

（八）布局和接地

正确的接地和信号布线对于确保准确的转换至关重要。建议使用单一的接地平面，将模拟电路和数字电路分开布局，避免数字噪声干扰模拟信号。时钟线应与其他线路隔离，模拟输入应远离噪声信号迹线。

七、常见应用误区及解决方法

（一）电源电压容差过大

ADC081000的工作电压范围为1.8V - 2.0V，建议使用可调线性稳压器（如LM317或LM1086）将电压设置为1.9V。

（二）输入电压超出电源轨

为了保证设备的可靠性，所有输入电压不应低于地引脚150mV或高于电源引脚150mV。应控制高速线路的阻抗，并在其特征阻抗下进行端接，以避免过冲和下冲。

（三）模拟输入共模电压不正确

在直流耦合模式下，输入共模电压必须保持在$V_{CMO}$输出电压的±50mV范围内，并跟踪其温度变化。

（四）使用不合适的放大器驱动模拟输入

选择驱动ADC081000的高频放大器时，应注意其失真性能，避免因放大器失真过高而影响整个系统的性能。

（五）驱动$V_{BG}$引脚改变参考电压

$V_{BG}$引脚的参考电压是固定的，驱动该引脚不会改变满量程值，但可能会影响设备的正常运行。

（六）时钟输入信号电平过高或过低

时钟信号的电平应在规定的范围内，过高的电平可能会增加输入偏移误差，过低的电平可能会导致性能下降。

（七）时钟信号迹线过长或存在耦合

应尽量缩短时钟信号迹线的长度，并避免其他信号耦合到时钟信号迹线上，以减少采样间隔的变化和输出噪声。

（八）散热不足

应提供足够的散热措施，确保设备的可靠性。可以通过增加空气流量或在PCB上设计散热片来实现。

八、总结

ADC081000是一款高性能、低功耗的8位、1GSPS A/D转换器，具有丰富的功能和灵活的配置选项。在使用过程中，需要注意电源、时钟、输入输出等方面的设计和布局，避免常见的应用误区。通过合理的设计和优化，ADC081000可以为各种高速信号处理应用提供可靠的解决方案。你在使用ADC081000或其他A/D转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。