ADC10D020：高性能10位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，我们要深入探讨的是德州仪器（TI）的一款高性能双路10位、20 MSPS、150 mW A/D转换器——ADC10D020。

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一、产品概述

ADC10D020是一款低功耗、高性能的CMOS模拟 - 数字转换器，能够在高达30 MSPS的采样率下将信号数字化为10位分辨率，同时在单3.0V电源下典型功耗仅为150 mW。在整个工作温度范围内，它能确保无丢失码，独特的两级架构在20 MHz采样率的整个奈奎斯特频段内可实现9.5有效位。此外，它还提供了多种输出格式和增益设置选项，以及可选择的10位复用或20位并行输出模式，具有偏移校正功能，能有效减少偏移误差。

二、产品特性亮点

2.1 内部功能特性

• 内部采样保持与参考能力：内置采样保持电路，具备内部参考能力，可减少外部元件的使用，简化设计。
• 双增益设置与偏移校正：提供双增益设置，可根据不同的输入信号范围进行灵活调整；偏移校正功能能有效提高转换精度。
• 输出格式多样：支持偏移二进制或2的补码输出格式，方便与各种系统进行接口。

2.2 输出与供电特性

• 复用或并行输出总线：可选择复用或并行输出总线模式，满足不同应用场景的需求。
• 单电源供电：支持单 +2.7V至3.6V电源供电，降低了电源设计的复杂度。
• 低功耗模式：具备掉电和待机模式，在掉电模式下功耗小于1 mW，待机模式下功耗约为27 mW，可有效延长电池续航时间。

三、关键技术指标

3.1 静态指标

参数	典型值	极限值	单位
积分非线性（INL）	+0.65	±1.8	LSB (max)
差分非线性（DNL）	+0.35	+1.2 -1.0	LSB (max) LSB(min)
分辨率	-	10	Bits
偏移误差（无偏移校正）	-5	+10 -16	LSB (max) LSB(min)
偏移误差（有偏移校正）	+0.5	+2.0 -1.5	LSB (max) LSB (min)
增益误差	-4	+6 -14	%FS (max) %FS(min)

3.2 动态指标

参数	条件	典型值	极限值	单位
有效位数（ENOB）	fIN = 1.0 MHz,VIN = FSR -0.1 dB等	9.5	9.0	Bits
信噪失真比（SINAD）	fIN = 1.0 MHz,VIN = FSR -0.1 dB等	59	-	dB
信噪比（SNR）	fIN = 1.0 MHz,VIN = FSR -0.1 dB等	59	56	dB
总谐波失真（THD）	fIN = 1.0 MHz,VIN = FSR -0.1 dB等	-73	-62	dB
无杂散动态范围（SFDR）	fIN = 1.0 MHz,VIN = FSR -0.1 dB等	76	-	dB

3.3 其他指标

• 转换延迟：并行输出为2.5个时钟周期，复用输出I数据总线为2.5个时钟周期，Q数据总线为3个时钟周期。
• 电源抑制比：PSRR1为90 dB，PSRR2为52 dB。
• 功耗：正常工作时为150 mW（典型），掉电模式小于1 mW（典型），快速恢复待机模式为27 mW（典型）。

四、引脚功能解析

4.1 模拟输入引脚

• 1+、1 - 和8+、8 -：分别为“I”和“Q” ADC的模拟输入引脚，输入范围根据GAIN引脚状态有所不同。当GAIN引脚为低电平时，标称转换范围为1.25V至1.75V；当GAIN引脚为高电平时，标称转换范围为1.0V至2.0V。
• VREF：模拟参考电压输入引脚，电压范围为0.8V至1.5V，需用最小1 uF电容进行旁路。

4.2 模拟输出与参考引脚

• VcMO：模拟输出引脚，可作为参考源和/或设置输入的共模电压，需用最小2 uF/0.1 uF组合电容进行旁路，标称输出电压为1.5V，输出源能力为1 mA。
• VRP和VRN：参考梯的顶部和底部引脚，需分别用10 uF低ESR电容和0.1 uF电容进行旁路，切勿驱动这两个引脚。

4.3 数字输入与控制引脚

• CLK：时钟输入引脚，CMOS/LVTTL兼容，阈值约为VA / 2，建议时钟频率在1 MHz至30 MHz之间，需进行适当的端接处理。
• OS：输出总线选择引脚，高电平为并行模式，低电平为复用模式。
• OC：偏移校正引脚，低到高电平转换时启动偏移校正序列，需34个时钟周期完成。
• OF：输出格式引脚，低电平为偏移二进制输出，高电平为2的补码输出。
• STBY：待机引脚，高电平时进入待机模式，功耗约为27 mW。
• PD：掉电引脚，高电平时进入掉电模式，功耗小于1 mW。
• GAIN：设置ADC输入的内部信号增益，低电平时满量程差分输入峰 - 峰值信号等于VREF，高电平时等于2x VREF。

4.4 数字输出引脚

• I0 - I9和Q0 - Q9：3V TTL/CMOS兼容的数字输出引脚，提供I和Q输入的转换结果。

五、应用场景广泛

ADC10D020凭借其高性能和低功耗的特点，广泛应用于以下领域：

• 数字视频：为视频信号的数字化处理提供高精度支持。
• CCD成像：满足成像系统对高速、高精度数据采集的需求。
• 便携式仪器：低功耗特性使其非常适合便携式设备，延长电池续航时间。
• 通信：在通信系统中实现信号的准确采集和处理。
• 医学成像与超声：为医学诊断设备提供高精度的信号转换。

六、设计注意事项

6.1 电源设计

• 电源旁路：每个电源引脚都需要进行适当的旁路处理，使用10 µF至50 µF的钽或铝电解电容和0.1 µF的陶瓷电容，以减少电源噪声的影响。
• 电源隔离：模拟和数字电源应进行良好的隔离，可在VA和VD之间使用扼流圈，避免数字噪声耦合到模拟部分。
• VDR电源：VDR应使用单独的电源，可降低输出驱动器的功耗和噪声。

6.2 信号输入设计

• 输入驱动：选择合适的放大器来驱动ADC输入，如CLC409和CLC428双运放，它们具有宽带宽和低失真的特点。
• 输入范围：确保输入信号不超过电源轨，避免因过压导致的故障或不稳定。
• 单端与差分输入：建议使用差分输入信号以获得最佳性能，若使用单端输入，可通过变压器进行单端 - 差分转换。

6.3 时钟设计

• 时钟频率与抖动：时钟频率应在1 MHz至30 MHz之间，且应尽量减少时钟抖动，可使用时钟树等方法进行时钟隔离。
• 时钟端接：时钟线应进行适当的端接处理，以匹配源阻抗和传输线特性阻抗，减少反射和信号失真。

6.4 布局与接地设计

• 布局原则：模拟和数字电路应分开布局，信号走线应尽量短，避免模拟和数字信号相互干扰。
• 接地设计：可使用单独的模拟和数字接地平面，但需注意信号路由，以减少EMI/RFI。也可使用单个接地平面，通过合理的元件布局来降低噪声。

七、总结

ADC10D020是一款功能强大、性能优越的A/D转换器，在低功耗、高分辨率和灵活性方面表现出色。通过合理的设计和布局，它能够满足多种应用场景的需求。在实际设计过程中，我们需要充分考虑其各项特性和技术指标，严格遵循设计注意事项，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。