深入解析ADS2806：高性能12位ADC的设计与应用

 

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，我们要深入探讨一款来自德州仪器（Texas Instruments）的高性能ADC——ADS2806，它以其卓越的性能和灵活的设计，在众多应用场景中展现出强大的优势。

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一、ADS2806概述

ADS2806是一款双路、高速、高动态范围的12位流水线式ADC。它具有以下显著特点：

1. 出色的动态性能：在10MHz输入频率下，无杂散动态范围（SFDR）可达73dB，信噪比（SNR）在2Vp-p输入时为67dB，3Vp-p输入时为69dB。
2. 灵活的输入范围：输入范围可在2Vp-p至3Vp-p之间灵活调整，满足不同应用的需求。
3. 内部或外部参考：支持内部参考和外部参考两种模式，方便在不同场景下实现最佳性能。
4. 低微分线性误差（DLE）：最大DLE为±0.4LSB，确保了高精度的转换。
5. TQFP - 64功率封装：这种封装形式有利于散热和电路板布局。

二、工作原理

（一）流水线架构

ADS2806采用11级流水线架构，每个阶段将数据输入到数字误差校正逻辑中，保证了在12位水平上的优异微分线性度和无失码特性。输出数据在时钟上升沿后有效，由于流水线架构，会产生6个时钟周期的数据延迟。

（二）减少谐波和提高抗噪性

该ADC通过差分结构和紧密匹配的多晶硅 - 多晶硅电容器，在高采样率和一些欠采样应用中实现了高水平的交流性能。同时，它能有效减少偶次谐波，并基于共模输入抑制提高了噪声免疫力。

（三）单端和差分模式

ADS2806既可以工作在单端模式，也可以工作在差分模式。单端模式下，信号施加到一个输入，另一个输入用直流电压偏置到所需的共模电平。差分模式则需要同相输入信号和180°反相部分同时施加到输入，能提供更好的动态性能。

三、电气特性

（一）分辨率和温度范围

ADS2806的分辨率为12位，指定的温度范围为 - 40°C至 + 85°C，能适应较宽的工作环境。

（二）输入范围和带宽

每个输入的差分输入范围为2V至3V，模拟输入带宽可达270MHz，输入阻抗为1.25pF。

（三）动态特性

在不同频率下，ADS2806的差分线性误差、积分线性误差、SFDR、信噪比等动态特性表现出色。例如，在10MHz输入频率下，SFDR为73dB，信噪比在2Vp-p输入时为66dB，3Vp-p输入时为68dB。

（四）电源要求

工作电源电压为 + 5V，电源电流典型值为78mA，不同电源电压下的功耗也有所不同。

四、应用电路设计

（一）驱动模拟输入

ADS2806的模拟输入阻抗很高，应通过一个设计用于通过感兴趣的最高频率的R - C网络来驱动，以防止输入中的高频噪声影响SFDR和SNR。常见的驱动方式有以下几种：

1. 变压器耦合，单端转差分配置：适用于需要将单端信号转换为差分信号来驱动ADS2806的应用。通过RF变压器将单端信号转换为差分信号，同时可利用升压变压器进行信号放大，减少信号源的信号摆动，提高失真性能。
2. 交流耦合，单端转差分接口（双电源运放）：对于要求高动态范围和低互调失真的应用，可采用双电源运放实现单端到差分的转换。例如，使用OPA642或其解补偿版本OPA643，通过配置成反相和同相增益级，将输入信号转换为差分信号，并通过交流耦合到转换器的差分输入，保持良好的失真性能。
3. 交流耦合，单端转差分接口（单电源运放）：在单电源系统中，可使用单电源运放如OPA2681实现单端到差分的转换。利用ADS2806的CM输出偏置驱动放大器的输入，减少放大器和转换器之间的耦合电容。同时，在运放输出和ADS2806输入之间添加小串联电阻，可改善性能。
4. 单端，交流耦合，双电源接口：适用于对接口复杂度要求较低且对动态性能要求不高的应用。通过单个电阻为交流耦合提供偏置，利用串联电阻和并联电容调整带宽，优化信噪比。
5. 直流耦合，差分驱动（带电平转换）：对于信号路径带宽包含直流的应用，需要进行直流耦合。可采用双运放如OPA2681驱动ADS2806的差分输入，并使用单电源通用运放OPA234缓冲共模电压，为ADS2806的输入提供正确的直流偏置。

（二）参考操作

ADS2806的内部参考由带隙电压参考、顶部和底部参考的驱动器以及电阻参考梯组成。通过将SEL引脚连接到低电平或高电平，可将模拟输入摆动设置为2Vp - p或3Vp - p的差分满量程范围。在外部参考模式下，REFT和REFB的缓冲放大器将被禁用。

（三）使用外部参考

为了获得更高的设计灵活性，可禁用内部参考，使用外部参考电压。在多通道应用中，使用公共外部参考可提高转换器之间满量程范围的匹配和漂移性能。外部参考的取值范围有一定要求，同时在外部参考模式下，范围选择引脚（SEL）的功能将被禁用。

五、数字输入和输出设计

（一）时钟输入要求

ADS2806的两个通道由同一个时钟的上升沿控制。时钟抖动对高速、高分辨率ADC的SNR性能至关重要，应尽量降低时钟上升沿的抖动。在欠采样应用中，需特别注意时钟抖动，时钟输入应像模拟输入一样处理，以实现最佳性能。时钟信号应具有50%的占空比和2ns或更短的快速上升和下降时间，可使用3V或5V逻辑电平驱动，使用低电压逻辑（3V）可能会改善转换器的交流性能。

（二）过范围指示器（OVR）

当模拟输入电压超过设定的满量程范围时，ADS2806的“OVR”引脚可用于监测这种超范围情况。“OVR”输出与对应采样的模拟输入电压的数据输出一起更新，因此与数字数据具有相同的流水线延迟。输入电压在定义的输入范围内时，OVR输出为低电平；超过满量程范围时，输出为高电平。

（三）数据输出

ADS2806的数字输出可通过将OE引脚驱动为逻辑高电平设置为高阻抗状态，正常操作时，由于内部下拉电阻，引脚6和42为低电平。输出数据格式为正直偏移二进制码，可通过反转最高有效位（MSB）轻松转换为二进制补码。为了减少电容负载对性能的影响，数据线上的电容负载应尽可能低（<15pF），必要时可使用外部缓冲器或锁存器。

（四）数字输出驱动电源（VDRV）

ADS2806的每个通道都有一个独立的输出逻辑驱动器电源引脚（VDRV），与其他电源引脚内部不连接。将VDRV设置为 + 5V或 + 3V，可产生相应的逻辑电平，直接与所选逻辑系列接口。建议使用 + 3V逻辑电源，以降低输出级的功耗和电源线上的电流毛刺，减少对转换器交流性能的影响。

（五）输出使能（OE）

通过将$\overline{OE}{A}$和$\overline{OE}{B}$引脚驱动为逻辑高电平，可将ADS2806的数字输出设置为高阻抗（三态），正常操作时，这些引脚应拉低。

六、接地和去耦设计

在高频设计中，正确的接地、旁路、短走线长度以及使用电源和接地平面非常重要。建议使用多层PCB板，以最小化接地阻抗，通过接地层分隔信号层。ADS2806应被视为模拟组件，尽可能使用模拟电源为其供电，以避免数字电源线上的噪声耦合到转换器中。接地引脚应直接连接到覆盖转换器下方PCB区域的模拟接地平面，同时要将模拟信号走线与数字线分开，防止噪声耦合到模拟信号路径。由于ADS2806的高采样率会产生高频电流瞬变和噪声，所有电源和参考引脚都需要充分旁路，通常在每个引脚使用0.1µF陶瓷芯片电容即可，若系统电源阻抗不够低，可添加小钽电容。

七、总结

ADS2806作为一款高性能的12位ADC，凭借其出色的动态性能、灵活的输入范围、多种参考模式和丰富的接口方式，在通信、测试设备、医疗成像等众多领域都有广泛的应用前景。在设计过程中，我们需要根据具体的应用场景，合理选择驱动电路、参考模式和数字接口方式，同时注重接地和去耦设计，以充分发挥ADS2806的性能优势。希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师们更好地理解和应用ADS2806，设计出更优秀的电子系统。

你在使用ADS2806的过程中遇到过哪些问题？或者你对它在特定应用中的设计有什么独特的见解？欢迎在评论区分享交流。