深入解析ADS850：高性能14位ADC的卓越之选

 

在当今的电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）扮演着至关重要的角色，尤其是在需要高精度数据采集和处理的应用中。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的一款高性能ADC——ADS850，它以其出色的性能和丰富的特性，成为众多应用场景的理想选择。

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一、ADS850概述

ADS850是一款具有高动态范围的14位ADC，它采用全差分输入结构，支持单端或差分输入接口，输入范围灵活可变。该转换器运用数字误差校正技术，确保了14位的线性度，并通过校准程序校正电容和增益失配问题。此外，ADS850还配备了高带宽的跟踪保持电路，在奈奎斯特速率及以上都能提供出色的杂散性能。

二、关键特性剖析

2.1 高精度与高性能

• 高无杂散动态范围（SFDR）：在奈奎斯特频率下可达85dB，这意味着它能够有效抑制杂散信号，为系统提供更纯净的数字输出。
• 高信噪比（SNR）：达到76dB，能够准确地捕捉微弱信号，提高信号检测的精度。
• 低功耗：仅250mW，适合对功耗要求较高的应用场景，延长设备的续航时间。

2.2 灵活的输入配置

• 输入方式多样：支持差分或单端输入，可根据实际应用需求灵活选择。
• 输入范围灵活：具有灵活的输入范围，还配备过范围指示器，方便用户及时了解输入信号是否超出范围。
• 参考源可选：可选择内部或外部参考源，满足不同应用场景的需求。

2.3 逻辑兼容性

支持+3V/+5V逻辑I/O，与多种逻辑电路兼容，方便与其他设备进行接口设计。

三、应用领域广泛

3.1 通信领域

在中频（IF）和基带数字化处理中，ADS850的高动态范围和高精度能够有效提高信号处理的质量，确保通信系统的稳定运行。

3.2 成像领域

在CCD成像扫描仪和红外成像等应用中，它能够准确地将模拟图像信号转换为数字信号，为图像的处理和分析提供可靠的数据支持。

3.3 测试测量领域

在测试仪器仪表中，ADS850的高精度和低噪声特性使其能够满足各种精确测量的需求，提高测试结果的准确性。

四、电气特性详解

4.1 分辨率与温度范围

ADS850的分辨率为14位，指定的工作温度范围为 -40°C至 +85°C，能够适应较为恶劣的工作环境。

4.2 转换特性

• 采样率：最高可达10MSPS，能够快速地对模拟信号进行采样，满足高速数据采集的需求。
• 数据延迟：仅7个时钟周期，确保数据能够及时输出，减少系统的响应时间。

4.3 模拟输入特性

• 输入范围：单端输入范围和差分输入范围可根据参考电压的不同进行调整，具有较强的灵活性。
• 输入电容：仅20pF，对输入信号的影响较小，有利于提高信号的传输质量。
• 输入带宽：-3dBFS输入带宽可达270MHz，能够处理高频信号。

4.4 动态特性

• 差分线性误差：在f = 4.8MHz时，最大误差为±1.0 LSB，保证了转换的线性度。
• 无杂散动态范围（SFDR）：在f = 4.8MHz、-1dB输入时，4Vp-p输入范围下可达75 - 85dBFS，2Vp-p输入范围下可达82dBFS。
• 信噪比（SNR）：在f = 4.8MHz、-1dB输入时，4Vp-p输入范围下可达71 - 76dBFS，2Vp-p输入范围下可达73dBFS。

五、引脚配置与功能

ADS850采用TQFP - 48封装，引脚功能丰富，下面介绍几个关键引脚：

• +Vs：+5V电源引脚，为芯片提供稳定的电源供应。
• GND：接地引脚，确保芯片的电气接地。
• CLK：转换时钟输入引脚，控制芯片的采样和转换操作。
• CAL：校准引脚，当脉冲为高电平时，将ADC置于校准模式。
• OVR：过范围指示器引脚，用于指示输入信号是否超出范围。

六、校准过程与注意事项

校准过程对于ADS850的性能至关重要。校准程序通过一个宽度至少为2个时钟周期的正脉冲启动。一旦校准开始，时钟必须连续运行，电源和参考源必须保持稳定。校准寄存器在CAL信号的上升沿复位，实际校准过程在CAL信号的下降沿开始。在10MSPS的采样率下，校准在32,775个周期结束，即CAL = 3.28ms。在校准期间，CAL_BUSY信号保持高电平，ADC的数字输出引脚被强制为零，输入（IN和IN）被禁用。校准完成后，CAL_BUSY信号变为低电平，7个周期后或总共32,775个时钟周期后，输出端将出现有效数据。如果时钟发生变化或温度变化超过±20°C，应重新进行校准以保持性能。

七、输入驱动配置

7.1 AC - 耦合输入配置

这是ADS850最常见的接口配置之一。通过将VREF引脚连接到SEL引脚，可将满量程输入范围定义为2Vp - p。使用低失真电压反馈放大器OPA642将信号以单端形式交流耦合到ADS850。为了使ADS850在满量程输入信号摆动下正常工作，需要对放大器的零中心模拟信号进行电平转换，以满足ADC的输入范围要求。通过在驱动放大器的输出和转换器的输入之间使用直流阻断电容，可以实现简单的电平转换方案。在这种配置中，顶部和底部参考（REFT，REFB）分别提供+3V和+2V的输出电压，使用两个2kΩ的电阻对创建约+2.5V的共模电压，将ADS850的输入（IN，IN）偏置到所需的直流电压。交流耦合的优点是驱动放大器仍然以接地为基准的信号摆动工作，这将使失真性能保持在最佳状态，因为信号摆动保持在运算放大器的线性区域内，并且可以保持到电源轨的足够裕量。考虑使用反相增益配置来消除放大器的共模抑制比（CMR）引起的误差。在运算放大器的输出和ADS850的输入之间添加一个小的串联电阻（$R_{S}$）在几乎所有接口配置中都是有益的，它将运算放大器的输出与容性负载解耦，避免增益峰值，从而减少噪声。为了获得最佳的杂散和失真性能，电阻值应保持在100Ω以下。此外，串联电阻与100pF电容一起构成一个无源低通滤波器，限制宽带噪声的带宽，有助于提高信噪比（SNR）性能。

7.2 DC - 耦合无电平转换

在某些应用中，模拟输入信号可能已经偏置在符合ADS850所选输入范围和参考电平的电平上。在这种情况下，只需为所选输入（IN或IN）提供足够低的源阻抗即可。由于宽带运算放大器的输出阻抗在很宽的频率范围内保持较低，因此应始终考虑使用宽带运算放大器。对于那些需要驱动放大器提供信号放大（增益≥3）的应用，考虑使用去补偿电压反馈运算放大器OPA686。

7.3 DC - 耦合有电平转换

在一些应用中，信号路径的带宽需要包括直流，此时信号必须直流耦合到ADC。为了实现这一点，接口电路必须提供直流电平转换。如图2所示的电路采用运算放大器OPA681将以地为中心的输入信号与所需的直流偏移相加。ADS850通常以+2.5V的共模电压工作，该电压在梯形电阻的中心抽头处建立，并连接到转换器的$\overline{IN}$输入。OPA681以反相配置工作，电阻$R{1}$和$R{2}$设置OPA691的直流偏置电平。由于运算放大器的噪声增益为+2V/V，假设$R{F}=R{IN}$，施加到其同相输入的直流偏移电压必须分压到+1.25V，从而产生+2.5V的直流输出电压。ADS850的IN和$\overline{IN}$输入之间的直流电压差实际上会产生一个偏移，可以通过调整电阻$R{1}$和$R{2}$的值来校正。运算放大器的偏置电流也可能导致不希望的偏移。选择合适的运算放大器时，应考虑输入偏置电流、输出电压摆动、失真和噪声规格等因素。需要注意的是，在这个例子中，整个信号相位被反转，为了恢复原始信号极性，可以交换IN和IN的连接。

7.4 单端到差分配置（变压器耦合）

为ADS850选择最合适的接口电路时，必须了解性能要求。如果特定应用需要交流耦合输入，则下一步是确定施加信号的方法，即单端或差分。差分输入配置可能具有明显的优势，因为在差分模式下，信号摆动可以减小到单端驱动所需摆动的一半，从而实现良好的SFDR性能。其次，通过差分驱动ADS850，可以减少偶次谐波。图3显示了建议的变压器耦合接口电路的原理图。跨次级侧的电阻（$R{T}$）应设置为实现输入阻抗匹配（例如，$R{T}=n^{2} \cdot R_{G}$）。

八、参考源操作

ADS850集成了一个带隙参考电路，通过简单选择相应的引脚配置，可以提供+1V或+2V的参考输出。为了获得更大的设计灵活性，内部参考源可以关闭，并使用外部参考电压。表I提供了可能的参考选项和引脚配置的概述。

模式	输入范围	SEL	VREF	REFB	REFT
内部2Vp - p		VREF	SEL	NC	NC
内部4Vp - p		GND	NC	NC	NC
外部2V < FSR < 4V		+VS	1V < FSR < 2V	NC	NC
外部(REFB – REFT) • 2		+VS	GND	1.5V < REFB < 2V	2V < REFT < 3.5V

内部参考电路的简单模型如图4所示，内部模块包括1V带隙电压参考、缓冲器、电阻参考梯形网络以及为顶部和底部参考提供必要电流到内部节点的驱动器。如图所示，缓冲器的输出出现在$V{REF}$引脚。ADS850的满量程输入跨度由$V{REF}$引脚的电压决定，根据公式：$Full - Scale Input Span = 2 \cdot V_{REF}$。需要注意的是，该放大器的电流驱动能力限制在约1mA，不应用于驱动低负载。可编程参考电路由施加到选择引脚（SEL）的电压控制。

顶部参考（REFT）和底部参考（REFB）主要用于外部旁路。为了在所有参考配置下正常工作，必须为参考引脚提供可靠的旁路，以尽量减少时钟馈通。图5显示了推荐的参考去耦配置。

此外，共模电压（CMV）可以用作参考电平，为驱动电路提供适当的偏移。然而，必须注意不要过度加载该节点，因为它没有缓冲且具有高阻抗。图6给出了另一种生成共模电压的方法，通过在顶部和底部参考引脚之间放置两个外部精密电阻（公差为1%或更好），共模电平将出现在中点。顶部和底部参考的输出缓冲器设计为提供约2mA的输出电流。

九、外部参考源操作

根据应用需求，使用外部参考源操作ADS850可能是有利的。如果外部参考电路在漂移和精度方面更优越，则可以提高直流精度。要使用外部参考源，用户必须禁用内部参考源，如图7所示。通过将SEL引脚连接到$+V{S}$，内部逻辑将关闭内部参考源。同时，内部参考缓冲器的输出与$V{REF}$引脚断开，此时必须用外部参考源驱动$V_{REF}$引脚。需要注意的是，应保持与内部参考源操作类似的旁路方案。

十、数字输入与输出

10.1 过范围指示（OVR）

ADS850的一个重要特性是其“过范围”数字输出（OVR）引脚。该引脚可用于监测任何超出范围的情况，每当施加的模拟输入电压超过输入范围（由$V_{REF}$设置）时，就会发生这种情况。当输入电压在定义的输入范围内时，OVR输出为低电平；当输入电压超出输入范围时，OVR输出变为高电平，即输入电压低于底部参考电压或高于顶部参考电压时。OVR将保持有效状态，直到模拟输入返回其正常信号范围并完成另一次转换。结合MSB及其补码与OVR，可以构建一个简单的线索逻辑，用于检测过范围和欠范围条件，如图8所示。需要注意的是，OVR是一个数字输出，它与模拟信号的特定采样时刻对应的位信息一起更新，因此，OVR数据与数字数据受到相同的流水线延迟（延迟）影响。

10.2 时钟输入要求

时钟抖动对高速、高分辨率ADC的SNR性能至关重要。它会导致孔径抖动（$t{A}$），从而增加被转换信号的噪声。ADS850在CLK输入的上升沿对输入信号进行采样，因此该边沿的抖动应尽可能小。抖动噪声对总SNR的贡献由以下公式给出：$JitterSNR = 20 log \frac{1}{2 \pi f{IN} t{A}}$（rms信号到rms噪声），其中$f{IN}$是输入信号频率，$t{A}$是均方根时钟抖动。特别是在欠采样应用中，应特别考虑时钟抖动。为了实现最高性能水平，时钟输入应被视为模拟输入。时钟信号的任何过冲或下冲都可能导致性能下降。在高采样率数字化时，时钟应具有50%的占空比（$t{H}=t_{L}$），以及2ns或更短的快速上升和下降时间。

10.3 数字输出特性

ADS850的数字输出设计为与高速TTL和CMOS逻辑系列兼容。数字输出的驱动级通过单独的电源引脚VDRV供电，该引脚不与模拟电源引脚连接。通过调整VDRV上的电压，数字输出电平将相应变化。因此，可以在+5V模拟电源下操作ADS850，同时将数字输出连接到3V逻辑。

建议尽量降低数据线上的容性负载（≤15pF）。较大的容性负载在输出变化时需要更高的充电电流，这些高电流浪涌可能会反馈到ADS850的模拟部分，影响性能。如有必要，可以使用外部缓冲器或锁存器，它们可以将ADS850与总线上的任何数字噪声活动隔离开来，避免高频噪声反馈。此外，在每个数据线上串联电阻可能有助于保持ADS850的交流性能，电阻值的选择取决于转换器看到的容性负载，100Ω至200Ω的电阻值将限制输出级在输出电平从低到高或从高到低变化时为寄生电容充电所需提供的瞬时电流。

十一、接地与去耦

在高频设计中，正确的接地和旁路、短引线长度以及使用接地平面尤为重要。建议使用多层PCB板以获得最佳性能，因为它们具有明显的优势，如最小化接地阻抗、通过接地层分隔信号层等。建议将ADS850的模拟和数字接地引脚在IC处连接在一起，并仅连接到系统的模拟接地。

ADS850具有模拟和数字电源引脚，但应将转换器视为模拟组件，所有电源引脚应由模拟电源供电。这将确保最一致的结果，因为数字电源线通常携带高水平的噪声，否则这些噪声可能会耦合到转换器中，降低可实现的性能。

由于流水线架构，转换器还会产生高频电流瞬变和噪声，并反馈到电源和参考线中。因此，必须对电源和参考引脚进行充分的旁路。图9显示了模拟电源的推荐去耦方案。在大多数情况下，0.1µF的陶瓷芯片电容足以在很宽的频率范围内保持低阻抗，其有效性在很大程度上取决于与各个电源引脚的接近程度，因此应尽可能靠近电源引脚放置。此外，应在PCB板上靠近转换器电路的位置放置一个较大尺寸的双极性电容（1µF至22µF）。

十二、总结与展望

ADS850作为一款高性能的14位ADC，凭借其高动态范围、高精度、低功耗和灵活的输入输出配置等优点，在通信、成像、测试测量等众多领域具有广泛的应用前景。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择输入驱动配置、参考源操作方式，并注意时钟输入、数字输出、接地与去耦等方面的问题，以充分发挥ADS850的性能优势。随着电子技术的不断发展，相信ADS850将在更多的应用场景中展现出其卓越的性能，为电子工程师们带来更多的设计灵感和解决方案。

你在使用ADS850的过程中遇到过哪些问题？或者你对它在特定应用中的表现有什么独特的见解？欢迎在评论区分享你的