深入解析ADS5413：12位、65-MSPS IF采样模数转换器

 

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们要深入探讨的是德州仪器（Texas Instruments）的ADS5413，一款低功耗、高性能的12位、65-MSPS IF采样模数转换器。

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一、产品概述

ADS5413是一款采用先进低压CMOS工艺的12位流水线ADC。它仅需单一3.3V电源供电，数字输出电平可在1.8V至3.3V之间灵活选择，非常适合高输入频率采样应用。其低噪声、高线性度和低时钟抖动的特性，为各类电子设备的设计提供了可靠的保障。

二、关键特性

2.1 高精度与高速度

• 分辨率：12位分辨率，能够提供较为精确的数字输出。
• 采样率：最大采样率可达65-MSPS，满足高速数据采集的需求。
• 输入范围：2-Vpp差分输入范围，可适应多种模拟信号输入。

2.2 电源与功耗

• 电源：采用3.3-V单电源供电，输出电源范围为1.8-V至3.3-V，具有良好的电源适应性。
• 功耗：总功耗仅400-mW，在低功耗设计方面表现出色。同时，还具备掉电模式，进一步降低功耗。

2.3 其他特性

• 输出格式：采用二进制补码输出格式，方便与数字电路接口。
• 片上功能：集成采样保持（S/H）和占空比调整电路，可使用内部或外部参考，增强了设计的灵活性。
• 封装：采用48引脚TQFP封装，带有PowerPad，尺寸为7mm x 7mm，便于PCB布局。

2.4 性能指标

• 信噪比（SNR）：在65 MSPS和190-MHz输入条件下，SNR可达64.5-dBFS。
• 无杂散动态范围（SFDR）：同样条件下，SFDR可达72-dBc。
• 输入带宽：-3-dB输入带宽高达1-GHz，可处理高频信号。

三、应用领域

3.1 高IF采样接收器

在通信领域，高IF采样接收器需要对高频信号进行精确采样和处理。ADS5413的高采样率和宽输入带宽，使其能够满足这类应用的需求，有效提高接收器的性能。

3.2 医学成像

医学成像设备对信号的精度和速度要求极高。ADS5413的高精度和低噪声特性，能够为医学成像系统提供准确的信号采集，有助于提高图像质量。

3.3 便携式仪器

对于便携式仪器，功耗是一个关键因素。ADS5413的低功耗设计，使其成为便携式仪器的理想选择，能够延长设备的电池续航时间。

四、工作原理与内部结构

4.1 转换器操作

ADS5413采用先进的开关电容流水线架构，由10个流水线级和一个闪存ADC组成。每个级产生1.5位数据，通过时钟的上升沿和下降沿，将采样数据在流水线中传输，总共需要六个时钟周期完成一次转换。

4.2 模拟输入

模拟输入采用差分跟踪保持放大器，通过开关电容技术实现。这种差分输入拓扑结构和匹配的电容，确保了在高采样和输入频率下的高性能。输入信号需要外部偏置在内部电路的共模电平（CML）附近，以实现最佳性能。

4.3 参考电路

ADS5413内部自带参考生成电路，可节省外部电路设计。为了获得最佳性能，建议将VREFB和VREFT引脚通过1-µF和0.1-µF的去耦电容并联接地，并在两个引脚之间连接一个0.1-µF的电容。同时，内部参考可以通过引脚48禁用，允许用户提供外部参考电压，以实现更精确的输入范围设置。

4.4 时钟输入

时钟输入可以是差分时钟信号或单端时钟输入，两种方式性能差异不大。内部通过5-kΩ电阻将时钟输入的共模电平设置为AVDD/2。在使用单端时钟输入时，建议将CLKC引脚通过0.01-µF电容接地；使用差分时钟输入时，将两个时钟输入引脚通过0.01-µF电容连接到差分输入时钟信号。此外，ADS5413还内置占空比调整器（DCA），可将非50%占空比的时钟调整为50%，但在某些情况下（如异步时钟或高输入频率采样），建议禁用DCA以获得更好的性能。

4.5 数字输出

输出格式为二进制补码，输出电压电平可通过设置OVDD电压在1.6V至3.6V之间调整，方便与不同数字电路接口。为了提高性能，建议在输出端添加串联电阻，限制峰值电流，并尽量缩短外部走线长度。

五、电气特性与性能指标

5.1 直流性能

• 电源电流：不同参考和占空比调整条件下，模拟电源电流和数字输出驱动电源电流有所不同。例如，使用内部参考和DCA开启时，总模拟电源电流为113mA；使用外部参考和DCA开启，且输入信号为0 dBFS、频率为2 MHz时，模拟电源电流为96mA。
• 功耗：正常工作时总功耗为400 - 480 mW，掉电模式下功耗为23 - 50 mW。
• 直流精度：保证无漏码，差分非线性（DNL）为±0.5 LSB，积分非线性（INL）为±1 LSB，偏移误差（EO）为3 mV，增益误差（EG）为0.3 %FS。

5.2 交流性能

• 信噪比（SNR）和信噪失真比（SINAD）：不同输入频率下，SNR和SINAD表现良好。例如，在输入频率为14 MHz时，SNR为63 - 68.5 dBFS，SINAD为62.5 - 67.6 dBFS。
• 谐波失真：二阶谐波（HD2）和三阶谐波（HD3）在不同输入频率下均有较好的抑制效果。如在输入频率为14 MHz时，HD2为90 dBc，HD3为77.5 dBc。
• 双音互调失真抑制：在f1 = 220 MHz、f2 = 225 MHz，A1,2 = -7 dBFS条件下，双音互调失真抑制为69 dBc。
• 模拟输入带宽：-3 dB带宽为1 GHz，可处理高频信号。

5.3 时序特性

在25°C、$C_{L}=10 pF$条件下，孔径延迟为2 ns，孔径抖动为0.4 ps，延迟为6个时钟周期。不同时钟输入到数据稳定的传播延迟也有明确的指标。

六、应用设计要点

6.1 模拟输入驱动

• 差分输入：采用差分输入拓扑结构，可提高AC性能。输入信号需外部偏置在CML附近，以实现最佳性能。
• 单端转差分：若使用单端输入信号，可通过RF变压器或差分输入/输出放大器将其转换为差分信号。在转换过程中，要注意保持输入信号的对称性，避免因输入信号的不平衡导致性能下降。

6.2 参考电路设计

• 内部参考：使用内部参考时，需正确连接去耦电容，以确保参考电压的稳定性。
• 外部参考：若需要更精确的输入范围设置，可禁用内部参考，使用外部参考电压。但要注意外部参考电路的设计，避免引入额外的噪声和干扰。

6.3 时钟输入设计

• 时钟类型：可选择差分时钟或单端时钟输入，根据实际应用需求进行选择。
• 占空比调整：在大多数情况下，DCA可放松外部时钟的设计要求。但在异步时钟或高输入频率采样时，建议禁用DCA，以获得更低的抖动和更好的性能。

6.4 电源管理

• 电源去耦：在电源引脚附近添加适当的去耦电容，以减少电源噪声对ADC性能的影响。
• 掉电模式：在不需要ADC工作时，可将掉电引脚（PWD）连接到AVDD，使ADC进入掉电模式，降低功耗。

6.5 数字输出接口

• 输出电压调整：根据后续数字电路的要求，调整OVDD电压，以实现最佳的接口性能。
• 串联电阻：在输出端添加串联电阻，限制峰值电流，提高信号质量。

七、总结

ADS5413作为一款高性能的12位、65-MSPS IF采样模数转换器，具有高精度、高速度、低功耗等优点，适用于多种应用领域。在设计过程中，我们需要充分考虑其电气特性和性能指标，合理设计模拟输入、参考电路、时钟输入、电源管理和数字输出接口等部分，以实现最佳的性能。希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师更好地了解和应用ADS5413，为电子设备的设计带来更多的可能性。

你在使用ADS5413的过程中遇到过哪些问题？或者你对它的性能有什么独特的见解？欢迎在评论区留言分享！