深入解析ADC10065：10位65 MSPS 3V A/D转换器的卓越性能与应用

 

在电子设计领域，A/D转换器是模拟信号与数字信号之间的桥梁，其性能直接影响到整个系统的精度和稳定性。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的ADC10065，一款具有高性能和低功耗特点的10位65 MSPS 3V A/D转换器。

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一、ADC10065概述

ADC10065是一款单芯片CMOS模数转换器，能够以每秒65兆采样（MSPS）的速度将模拟输入信号转换为10位数字字。它采用差分流水线架构，结合数字误差校正和片上采样保持电路，在提供出色动态性能的同时，有效降低了功耗。独特的采样保持级实现了400 MHz的全功率带宽，使其在高频信号处理方面表现出色。

1. 关键特性

• 单+3.0V供电：仅需单一3.0V电源即可工作，简化了电源设计，降低了系统成本。
• 可选输入范围：支持2.0 $V{P - P}$、1.5 $V{P - P}$或1.0 $V_{P - P}$的全量程输入，可根据不同应用需求灵活选择。
• 低功耗：在65 MSPS采样率下，功耗仅为68.4 mW，待机模式下功耗可降至14.1 mW，适合对功耗敏感的应用。
• 片上参考和采样保持放大器：集成了参考电压和采样保持电路，减少了外部元件数量，提高了系统的可靠性和稳定性。
• 可选数据格式：支持偏移二进制或二进制补码数据格式，方便与不同的数字系统接口。
• 独立可调输出驱动电源：可适应2.5V和3.3V逻辑系列，增强了与不同逻辑电平的兼容性。
• 28引脚TSSOP封装：小尺寸封装节省了电路板空间，便于系统集成。

2. 应用领域

ADC10065广泛应用于多个领域，包括但不限于：

• 超声和成像：在医学超声成像和工业无损检测等领域，高精度的A/D转换对于获取清晰准确的图像至关重要。
• 仪器仪表：用于各种测试测量仪器，确保对模拟信号的精确采集和处理。
• 蜂窝基站/通信接收器：在无线通信系统中，为信号的解调和解码提供高质量的数字输入。
• 声纳/雷达：对高频信号的快速准确转换，有助于提高声纳和雷达系统的探测精度和响应速度。
• xDSL：在数字用户线路（xDSL）通信中，实现对模拟信号的高效数字化处理。
• 无线本地环路：为无线本地通信提供可靠的信号转换解决方案。
• 数据采集系统：用于各种数据采集应用，如工业自动化、环境监测等。
• DSP前端：作为数字信号处理器（DSP）的前端，为其提供高质量的数字输入。

二、引脚说明与等效电路

ADC10065的引脚分为模拟输入输出（ANALOG I/O）和数字输入输出（DIGITAL I/O）两部分，每个引脚都有其特定的功能和作用。

1. 模拟输入输出引脚

• VIN（引脚12、13）：差分模拟输入信号引脚，在1.2V参考电压下，全量程输入信号电平为差分1.0 $V_{P - P}$。引脚12为反相输入，引脚13为同相输入。在单端操作时，引脚12可连接到Vcom（引脚4）。
• VREF（引脚6）：参考输入引脚，标称电压为1.20V。该引脚应通过一个0.1 μF的单片电容旁路到VssA，也可由外部1.20V参考源驱动，但不要对其进行负载。
• VREFT、VREFB（引脚7、8）：高阻抗参考旁路引脚，每个引脚应连接一个0.1 μF的电容到VssA，用于旁路目的，不要对其进行负载。
• VcoM（引脚4）：可用于设置输入共模电压VcM，也可连接到VIN -，使VIN +作为单端输入。该引脚应通过至少一个0.1 μF的电容进行旁路，不要对其进行负载。

2. 数字输入输出引脚

• CLK（引脚1）：数字时钟输入引脚，输入频率范围为20 MHz至65 MHz，输入信号在该引脚的上升沿进行采样。
• DF（引脚15）：数据格式选择引脚，当DF = “1”时，输出为二进制补码格式；当DF = “0”时，输出为偏移二进制格式。
• STBY（引脚28）：待机引脚，当该引脚为高电平时，转换器进入待机模式；当该引脚为低电平时，转换器处于活动模式。
• IRS（引脚5）：输入范围选择引脚，通过不同的连接方式可选择不同的差分输入范围：IRS = “VDDA”时为2.0 $V{P - P}$；IRS = “VssA”时为1.5 $V{P - P}$；IRS = “Floating”时为1.0 $V_{P - P}$。
• DO - D9（引脚16 - 20、23 - 27）：数字输出数据引脚，DO为最低有效位（LSB），D9为最高有效位（MSB）。

三、电气特性

1. 静态特性

• 无丢失码：确保10位转换无丢失码，保证了转换的准确性。
• 积分非线性（INL）：在FIN = 500 kHz、-0 dB全量程条件下，INL范围为 -1.0至 +1.1 LSB。
• 差分非线性（DNL）：在相同测试条件下，DNL范围为 -0.9至 +0.9 LSB。
• 增益误差（GE）：正误差和负误差范围分别为 -1.5%至 +1.9% FS。
• 偏移误差（OE）：范围为 -1.4%至 +1.7% FS。
• 全功率带宽（FPBW）：典型值为400 MHz，表明该转换器在高频信号处理方面具有良好的性能。

2. 动态特性

• 有效位数（ENOB）：在fIN = 11 MHz时，ENOB典型值为9.6位；在fIN = 32 MHz时，ENOB典型值为9.5位。
• 信噪比（SNR）：在fIN = 11 MHz时，SNR典型值为59.6 dB；在fIN = 32 MHz时，SNR典型值为59.3 dB。
• 信噪失真比（SINAD）：在fIN = 11 MHz时，SINAD典型值为59.4 dB；在fIN = 32 MHz时，SINAD典型值为59 dB。
• 二次谐波失真（2nd HD）：在fIN = 11 MHz时，2nd HD典型值为 -90 dBc；在fIN = 32 MHz时，2nd HD典型值为 -82 dBc。
• 三次谐波失真（3rd HD）：在fIN = 11 MHz时，3rd HD典型值为 -74 dBc；在fIN = 32 MHz时，3rd HD典型值为 -72 dBc。
• 无杂散动态范围（SFDR）：在fIN = 11 MHz时，SFDR典型值为 -80 dBc；在fIN = 32 MHz时，SFDR典型值为 -80 dBc。

3. 电源特性

• 模拟电源电流（IyDDA）：待机模式下典型值为4.7 mA至6.0 mA，活动模式下典型值为22 mA至29 mA。
• 数字电源电流（IyDDIO）：待机模式下典型值为0 mA，活动模式下典型值为0.97 mA至1.2 mA。
• 功耗（PWR）：待机模式下典型值为14.1 mW至18.0 mW，活动模式下典型值为68.4 mW至90 mW。

四、功能描述与应用信息

1. 功能描述

ADC10065采用流水线架构和误差校正电路，确保了高性能的转换。差分模拟输入信号被数字化为10位数字字，输入信号的幅度和共模电压可根据需要进行调整。

2. 应用信息

• 模拟输入：$V{IN}+$和$V{IN}-$构成差分输入对，$V_{COM}$可用于设置共模输入电压。为了减少噪声影响，建议在输入引脚使用18Ω串联电阻和25 pF电容组成的低通滤波器。
• 参考引脚：该转换器设计使用1.2V参考电压，$V{COM}$、$V{REFT}$和$REFB$的电压由参考电压派生而来。所有与参考电压和输入信号相关的接地应单点连接到模拟接地平面，以减少接地路径中的噪声电流影响。参考旁路引脚$V{REF}$、$V{REFT}$和$V_{REFB}$应分别通过0.1 μF电容旁路到地，且不要对其进行负载。
• CLK引脚：CLK信号控制采样过程的时序，应使用稳定、低抖动的时钟信号驱动，频率范围应在交流电气特性规定的范围内，上升和下降时间应小于2 ns。时钟信号的走线应尽可能短，避免与其他信号线路交叉。
• STBY引脚：当STBY引脚为高电平时，ADC10065进入待机模式，功耗降低至15 mW，输出数据引脚状态未定义。在待机模式下，管道中的数据会被损坏。
• DF引脚：DF引脚用于选择数据输出格式，高电平时输出二进制补码格式，低电平时输出偏移二进制格式。
• IRS引脚：IRS引脚用于定义输入信号幅度以产生全量程输出，通过不同的连接方式可选择不同的差分输入范围。
• 输出引脚：ADC10065有10个TTL/CMOS兼容的数据输出引脚。在驱动高电容总线时，应注意输出电容的影响，避免过大的充电电流尖峰导致芯片噪声和动态性能下降。为了减少输出开关噪声，应尽量减小负载电容，并在ADC输出和其他电路之间连接缓冲器。

五、典型性能特性

文档中给出了多个典型性能特性曲线，展示了ADC10065在不同条件下的性能表现，如INL与时钟占空比、SNR与温度、SINAD与$V{DDA}$、SINAD与$f{CLK}$、SFDR与时钟占空比等关系。这些曲线有助于工程师在不同应用场景下评估和优化转换器的性能。

六、总结

ADC10065是一款性能卓越的10位65 MSPS 3V A/D转换器，具有低功耗、高带宽、灵活的输入范围和数据格式等优点。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理选择输入范围、时钟信号、数据格式等参数，并注意电源、接地、信号布线等方面的设计，以充分发挥其性能优势。同时，通过参考典型性能特性曲线，可进一步优化系统性能，确保设计的稳定性和可靠性。你在使用ADC10065过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。