德州仪器ADS804：高性能12位ADC的深度解析

在电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）是连接现实模拟世界与数字处理系统的桥梁。德州仪器的ADS804作为一款高性能的12位ADC，以其出色的性能和灵活的设计特点，在众多应用场景中发挥着重要作用。

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一、器件概述与亮点特性

1. 基本参数与性能指标

ADS804是一款高速、高动态范围的12位流水线式ADC。它具有高达10MHz的采样率，能快速精准地将模拟信号转换为数字信号。在性能指标方面表现卓越，无杂散动态范围（SFDR）在奈奎斯特频率下可达80dB，信噪（SNR）比为69dB，低功耗仅180mW，差分线性误差（DLE）低至±0.3LSB。这样的高性能指标使它能够满足各种复杂应用对信号转换精度和速度的要求。

2. 灵活输入范围与过范围指示

ADS804提供内部参考，可灵活编程输入范围。它既可以选择2Vp-p输入范围以获得最佳杂散性能和易于驱动的优势，也能采用5Vp-p输入范围以实现0.09LSBs rms的最低输入参考噪声，从而提供卓越的成像性能。此外，还能将输入范围设置在2Vp-p和5Vp-p之间，或者使用外部参考。同时，它具备过范围指示标志（OVR），当输入信号超出转换器的满量程输入范围时，该标志可以触发，用于降低前端增益调节电路的增益。

3. 应用领域广泛

凭借其出色的性能，ADS804适用于多种领域，如中频（IF）和基带数字化、CCD成像扫描仪、测试仪器等。在通信领域，它的高SFDR和SNR能提供足够的裕量，确保信号的准确转换和传输；在医疗成像和视频应用中，低失真和高分辨率的特性有助于获取清晰准确的图像信息；而在测试仪器中，其高精度和快速采样能力则能保证测量结果的可靠性。

二、电气特性与引脚配置

1. 电气特性详解

在电气特性方面，ADS804在全指定温度范围（ - 40°C至+85°C）、 $V_{S}= + 5V$ 、指定单端输入范围为1.5V至3.5V、采样率为5MHz或10MHz的条件下，各项参数表现稳定。其分辨率为12位，采样率最高可达10M Samples/s，数据延迟为6个时钟周期。模拟输入方面，单端输入范围可在1.5V - 3.5V之间，还可选择其他范围，输入阻抗为16MΩ，跟踪模式输入带宽为270MHz。动态特性上，差分线性误差最大为±0.75LSB，无漏码现象，在4.8MHz的信号频率下，SFDR可达80dB，SNR为69dB。

2. 引脚配置与功能

ADS804采用SSOP - 28封装，其引脚配置具有明确的功能定义。例如，OVR引脚作为过范围指示，方便监测输入信号是否超出范围；CLK引脚为转换时钟输入，控制着ADC的采样节奏；OE引脚用于输出使能，可设置输出的高阻态或正常工作状态；+Vs为+5V电源引脚，GND为接地引脚；SEL引脚用于输入范围选择，VREF引脚用于参考电压选择等。通过合理连接这些引脚，可以实现不同的输入范围和工作模式。

三、典型特性与性能曲线

1. 性能随条件变化情况

在全指定温度范围、 $V_{S}= + 5V$ 、指定单端输入范围为1.5V至3.5V、采样率为10MHz的条件下，ADS804的典型特性曲线展示了其性能随不同参数的变化情况。从功率耗散与温度的曲线可以看出，随着温度的升高，功率耗散会有所增加，但整体仍在可接受范围内。输出噪声直方图则反映了在直流输入情况下，输出噪声的分布情况，有助于评估ADC在实际应用中的噪声性能。

2. 对设计的指导意义

这些典型特性曲线为工程师在实际设计中提供了重要的参考依据。例如，在高温环境下使用时，可以根据功率耗散曲线合理设计散热方案，保证器件的稳定性；根据输出噪声直方图，选择合适的抗干扰措施，提高系统的信噪比。

四、应用电路设计与注意事项

1. 模拟输入驱动方式

ADS804的模拟输入可以采用单端或差分驱动方式，这里重点讨论单端配置。单端配置实现相对容易，且ADS804的额定规格也是基于单端工作模式进行表征的。

• AC耦合输入配置：这是最常见的接口配置之一。通过将 $V{REF}$ 引脚连接到SEL引脚，可定义满量程输入范围为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ADS804。为了使输入信号满足ADC的输入范围要求，需要对放大器的零中心模拟信号进行电平偏移，可通过在驱动放大器输出和转换器输入之间使用直流阻断电容来实现。同时，使用两个2kΩ的电阻对创建约+2.5V的共模电压，为ADS804的输入提供必要的直流偏置。交流耦合的优点是驱动放大器仍以基于地的信号摆幅工作，能保持失真性能最优，因为信号摆幅在运算放大器的线性区域内，且能保持与电源轨之间足够的裕量。此外，在运算放大器输出和ADS804输入之间添加一个小的串联电阻（$R{S}$）有助于解耦运算放大器输出与容性负载，避免增益峰值导致的噪声增加，为了获得最佳的杂散和失真性能，电阻值应保持在100Ω以下。
• DC耦合无电平偏移：在某些应用中，模拟输入信号可能已经偏置在符合ADS804所选输入范围和参考电平的水平。此时，只需为所选输入提供足够低的源阻抗即可。由于宽带运算放大器在宽频率范围内输出阻抗较低，因此应优先考虑使用。对于需要驱动放大器提供信号放大（增益≥3）的应用，可以考虑使用去补偿电压反馈运算放大器OPA643。
• DC耦合有电平偏移：当信号路径带宽需要包含直流成分时，需要将信号直流耦合到ADC。这就要求接口电路提供直流电平偏移。例如，使用一个运算放大器将零中心输入信号与所需的直流偏移相加，以实现直流电平的调整。常见的做法是让ADS804以+2.5V的共模电压工作，可通过在电阻梯的中点建立该电压并连接到转换器的IN输入来实现。放大器A1采用反相配置，通过电阻$R{1}$和$R{2}$设置其直流偏置电平。由于运算放大器的噪声增益为+2V/V，假设$R{F}=R{IN}$，则施加到其同相输入的直流偏移电压需分压至+1.25V，以产生+2.5V的直流输出电压。
• 单端 - 差分配置（变压器耦合）：在选择适合ADS804的接口电路时，需要明确性能要求。如果应用需要交流耦合输入，还需确定信号施加方式是单端还是差分。差分输入配置在实现良好的SFDR性能方面具有明显优势，因为在差分模式下，信号摆幅可降低至单端驱动所需摆幅的一半，同时还能减少偶次谐波。建议的变压器耦合接口电路中，应设置跨次级侧的电阻（$R{T}$）以实现输入阻抗匹配，例如$R{T}=n^{2} cdot R_{G}$。

2. 参考操作与输入范围选择

ADS804集成了带隙参考电路，可通过简单选择相应的引脚配置提供+1V或+2.5V的参考输出。也可以使用两个外部电阻生成不同的参考电压，以设置内部参考缓冲器的不同增益。为了获得更高的设计灵活性，还可以关闭内部参考，使用外部参考电压。在选择输入范围和参考时，可以参考不同的电路示例。例如，当使用内部参考时，有0V至5V、1.5V至3.5V、1V至4V等常见输入范围的电路配置；当需要使用外部参考时，可通过将SEL引脚连接到$+V{S}$来关闭内部参考，同时使用外部参考驱动$V{REF}$引脚。

3. 数字输入输出与其他注意事项

• 数字输入输出：ADS804的数字输入与CMOS逻辑兼容，数字输出与高速TTL和CMOS逻辑家族兼容。数字输出的驱动级通过单独的电源引脚VDRV供电，可通过调整VDRV上的电压来改变数字输出电平，因此可以在+5V模拟电源下工作，同时将数字输出连接到3V逻辑。为了保证性能，建议将数据线上的电容负载保持在尽可能低的水平（≤ 15pF），必要时可使用外部缓冲器或锁存器，以及在每个数据线上串联电阻，以限制输出级为寄生电容充电时所需的瞬时电流。
• 接地与去耦：对于高频设计，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以获得最佳性能，因为多层板可以最小化接地阻抗，通过接地层分隔信号层。ADS804的模拟和数字接地引脚应在IC处连接在一起，并仅连接到系统的模拟地。
• 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，增加转换信号的噪声。ADS804在CLK输入的上升沿对输入信号进行采样，因此该上升沿应具有尽可能低的抖动。可通过公式$JitterSNR = 20 log frac{1}{2 pi f{IN} t{A}}$计算抖动噪声对总SNR的贡献，如果该值接近系统要求，则必须降低输入时钟抖动。在欠采样应用中，应特别注意时钟抖动，将时钟输入视为模拟输入，以实现最高性能。在高采样率数字化时，时钟应具有50%的占空比（$t{H}=t{L}$），上升和下降时间应小于2ns。

五、总结与展望

ADS804作为一款高性能的12位ADC，凭借其出色的性能指标、灵活的输入范围和参考配置、丰富的应用电路选择以及对各种工作条件的良好适应性，在电子设计领域具有广泛的应用前景。在实际设计过程中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择输入范围、参考配置和驱动电路，同时注意接地、去耦和时钟输入等方面的要求，以充分发挥ADS804的性能优势，设计出高质量的电子系统。随着电子技术的不断发展，相信类似ADS804这样的高性能ADC将在更多领域得到应用，并不断推动相关技术的进步。你在使用ADS804或其他ADC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。