ADC10080：高性能10位A/D转换器的深度解析与应用指南

 

最近在研究高性能A/D转换器时，德州仪器（TI）的ADC10080引起了我的注意。这是一款10位、80 MSPS的A/D转换器，具备单+3.0V供电、低功耗等特点，在超声成像、仪器仪表、通信基站等多个领域都有广泛的应用前景。今天就和大家分享一下我对这款转换器的深入研究。

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关键特性与规格参数

特性亮点

• 单电源供电：ADC10080采用单+3.0V电源供电，简化了电源设计，降低了系统复杂性。
• 可选满量程输入范围：支持2.0 $V{P - P}$、1.5 $V{P - P}$、1.0 $V_{P - P}$的满量程输入范围，可根据实际应用需求灵活选择。
• 宽带宽与低功耗：具有400 MHz的-3 dB输入带宽，在80 MSPS的转换速率下，功耗仅为78.6 mW，还支持待机模式，待机功耗低至15 mW。
• 内置参考与采样保持放大器：片上集成参考和采样保持放大器，提供完整的转换解决方案，减少了外部元件的使用。
• 灵活的数据格式：支持偏移二进制或二进制补码数据格式，满足不同系统的数据处理需求。
• 独立可调输出驱动电源：输出驱动电源可独立调节，提高了系统的灵活性。

关键规格参数

参数	数值
分辨率	10位
转换速率	80 MSPS
全功率带宽	400 MHz
微分非线性（DNL）	±0.25 LSB（典型值）
信噪比（SNR，$f_{IN}=10 MHz$）	59.5 dB（典型值）
无杂散动态范围（SFDR，$f_{IN}=10 MHz$）	-78.7 dB（典型值）
功耗（80 MSPS）	78.6 mW

工作原理与架构

ADC10080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，实现了高效的模拟到数字转换。差分架构可以有效抑制共模噪声，提高转换器的抗干扰能力；流水线架构则允许在每个时钟周期内同时进行多个转换步骤，从而实现高速转换。数字误差校正技术可以补偿转换器中的非线性误差，提高转换精度。

独特的采样保持阶段使得该转换器具有400 MHz的全功率带宽，能够处理高频输入信号。在单+3.0V电源供电下，ADC10080在80 MSPS的转换速率下仍能保持较低的功耗，这得益于其优化的电路设计和低功耗工艺。

引脚功能与连接

引脚描述

ADC10080采用28引脚TSSOP封装，引脚分为模拟输入输出、数字输入输出、模拟电源和数字电源等几类。以下是一些关键引脚的功能介绍：

• 模拟输入引脚（$V{IN}^+$、$V{IN}^-$）：差分模拟输入信号，在1.2V参考电压下，满量程输入信号为1.0 $V{P - P}$的差分信号。单端操作时，$V{IN}^-$可连接到$V_{COM}$引脚。
• 参考输入引脚（$V_{REF}$）：参考输入，标称值为1.20V，可通过0.1 μF的单片电容旁路到$V_{SSA}$。也可使用外部1.20V参考源驱动，但需注意不要加载该引脚。
• 时钟输入引脚（CLK）：控制采样过程的时钟信号，频率范围为20 MHz至80 MHz，上升沿和下降沿时间应小于2 ns。
• 数据格式选择引脚（DF）：高电平时，输出为二进制补码数据格式；低电平时，输出为偏移二进制数据格式。
• 待机引脚（STBY）：高电平时，转换器进入待机模式，功耗降至15 mW；低电平时，转换器正常工作。
• 输入范围选择引脚（IRS）：用于选择满量程输入范围，不同状态对应不同的输入信号幅度。

连接注意事项

• 电源引脚：模拟电源引脚（$V{DDA}$）和数字电源引脚（$V{DDIO}$）应连接到稳定的3.0V和2.5V电源，并通过0.1 μF的单片电容旁路到地。为了进一步滤波，还应并联一个4.7 μF的电容。
• 时钟信号：时钟信号应保持稳定、低抖动，走线应尽量短，避免与其他信号交叉。
• 输入信号：为了减少输入噪声，建议在信号输入引脚使用18Ω的串联电阻和25 pF的电容组成低通滤波器。

电气特性分析

静态特性

• 积分非线性（INL）：在$f_{IN}=500 kHz$、0 dB满量程条件下，INL的典型值为-1.4至+0.5 LSB。
• 微分非线性（DNL）：DNL的典型值为-0.9至+0.25 LSB，确保了转换器的线性度。
• 增益误差（GE）：正误差和负误差的范围分别为-1.6%至+2.0% FS和-1.6%至-0.07% FS。
• 偏移误差（OE）：偏移误差的典型值为0.11% FS，最大为1.7% FS。

动态特性

• 有效位数（ENOB）：在$f{IN}=10.0 MHz$时，ENOB的典型值为9.3位；在$f{IN}=39 MHz$时，典型值为9.1位。
• 信噪比（SNR）：在$f{IN}=10.0 MHz$时，SNR的典型值为59.5 dB；在$f{IN}=39 MHz$时，典型值为58.0 dB。
• 无杂散动态范围（SFDR）：在$f{IN}=10.0 MHz$时，SFDR的典型值为-78.7 dB；在$f{IN}=39 MHz$时，典型值为-72 dB。

交流特性

• 时钟频率：最大时钟频率为80 MHz，最小时钟频率为20 MHz。
• 转换延迟：转换延迟为6个时钟周期，数据输出延迟在上升时钟沿后为2至6 ns。
• 孔径延迟和抖动：孔径延迟为1 ns，孔径抖动为2 ps（RMS）。

典型应用与电路设计

应用领域

ADC10080适用于多种应用场景，包括超声成像、仪器仪表、蜂窝基站、通信接收器、声纳/雷达、xDSL、无线本地环路、数据采集系统和DSP前端等。

应用电路设计

• 差分输入应用：在差分输入应用中，$V{IN}^+$和$V{IN}^-$引脚分别连接差分输入信号。通过合理选择IRS引脚的状态，可以调整满量程输入范围。
• 单端输入应用：单端输入时，将$V{IN}^-$引脚连接到$V{COM}$引脚，输入信号连接到$V_{IN}^+$引脚。

电路设计注意事项

• 电源滤波：为了减少电源噪声对转换器性能的影响，应在电源引脚附近使用适当的滤波电容。
• 信号布线：模拟信号和数字信号应分开布线，避免相互干扰。时钟信号和数据信号的走线应尽量短，以减少延迟和抖动。
• 负载电容：输出引脚的负载电容应控制在10 pF/pin以内，以避免影响数据输出延迟和动态性能。

总结与展望

ADC10080是一款性能出色的10位A/D转换器，具有高速转换、低功耗、宽带宽等优点。其丰富的特性和灵活的配置使其适用于多种应用场景。在实际设计中，我们需要根据具体需求合理选择引脚配置和外部元件，注意电源滤波、信号布线和负载电容等问题，以充分发挥该转换器的性能。

随着电子技术的不断发展，对A/D转换器的性能要求也越来越高。未来，我们可以期待ADC10080在更多领域得到应用，同时也希望德州仪器能够不断推出性能更优、功能更强的A/D转换器产品。

大家在使用ADC10080的过程中遇到过哪些问题呢？或者对这款转换器还有哪些疑问，欢迎在评论区留言讨论。