Texas Instruments ADS802：12位、10MHz采样模数转换器的全方位解析

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。Texas Instruments的ADS802作为一款高性能的12位、10MHz采样模数转换器，凭借其出色的特性和广泛的应用场景，在众多设计中备受青睐。今天，我们就来深入探讨一下这款ADS802的方方面面。

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一、产品概述

ADS802是一款采用小几何尺寸CMOS工艺的低功耗单片12位、10MHz模数转换器。它集成了12位量化器、宽带跟踪保持电路、参考电压源和三态输出，仅需单一+5V电源供电，并且可以配置为接受差分或单端输入信号。该转换器适用于中频和基带数字化、数据采集卡、测试仪器、CCD成像、复印机、扫描仪、相机、视频数字化以及伽马相机等多种应用场景。

二、产品特性

2.1 高精度与高性能

• 无丢失码：确保了转换结果的准确性和可靠性，避免了因丢失码而导致的数据误差。
• 低功耗：仅250mW的功耗，在保证高性能的同时，降低了系统的整体功耗，适合对功耗要求较高的应用。
• 内部参考电压：提供稳定的参考电压，减少了外部参考电路的设计复杂度，提高了系统的稳定性。
• 宽带跟踪保持电路：带宽高达65MHz，能够快速准确地跟踪输入信号的变化，保证了在高频信号下的转换精度。

2.2 灵活的输入配置

支持差分和单端输入信号配置，可根据不同的应用需求进行灵活选择，提高了产品的适用性。

2.3 出色的动态性能

• 高信噪比（SNR）：在不同的输入频率下，都能保持较高的信噪比，有效降低了噪声对信号的干扰。
• 低失真：减少了信号失真，保证了转换后的信号质量。
• 高过采样能力：为电信、测试仪器和视频应用提供了额外的性能裕量。

三、电气特性

3.1 分辨率与输入范围

• 分辨率：12位分辨率，能够提供更精细的信号量化结果。
• 差分全量程输入范围：为+1.25V至+3.25V，共模电压为+2.25V，满足了大多数应用的输入要求。

3.2 带宽与输入阻抗

• 模拟输入带宽：-3dB带宽为400MHz，小信号全功率输入带宽为65MHz，能够处理高频信号。
• 输入阻抗：输入阻抗为1.25MΩ，电容为4pF，减少了对输入信号的负载影响。

3.3 动态特性

• 差分线性误差：在不同的输入频率下，差分线性误差都能控制在较小范围内，保证了线性度。
• 无杂散动态范围（SFDR）：在500kHz和5MHz输入频率下，SFDR分别达到77dBFS和67dBFS，有效抑制了杂散信号。

四、工作原理

4.1 跟踪保持电路

ADS802采用了全差分架构的跟踪保持电路，由内部时钟控制开关的切换。在采样时刻，输入信号被采样到输入电容的底板上；在下一个时钟相位，输入电容的底板连接在一起，反馈电容切换到运算放大器的输出，完成一次跟踪保持循环。该电路还能将单端输入信号转换为全差分信号供量化器处理。

4.2 流水线量化器架构

流水线量化器架构包含11个阶段，每个阶段包含一个2位量化器和一个2位数模转换器（DAC）。每个2位量化器阶段在子时钟的边沿进行转换，子时钟频率是外部时钟频率的两倍。量化器的输出经过延迟线对齐后，输入到数字误差校正电路，根据冗余位的信息调整输出数据，从而保证了出色的差分线性度和无丢失码。

4.3 数据延迟

由于每个外部时钟周期有两个流水线阶段，从启动转换信号到有效输出数据存在6.5个时钟周期的数据延迟。输出数据可以采用直偏移二进制（SOB）或二进制补码（BTC）格式。

五、应用设计要点

5.1 模拟输入与驱动电路

• 输入配置：ADS802的模拟输入可以根据信号的性质和性能要求进行多种配置。差分输入范围以+2.25V共模电压为中心，每个输入的全量程范围为+1.25V至+3.25V。
• 驱动电路：对于交流耦合应用，可以使用变压器将单端输入转换为差分输入，选择低失真、无磁芯饱和的变压器，并注意控制共模输出引脚的电流。也可以使用电阻和电容组成的低成本接口电路，但需要根据信号带宽仔细选择元件值。对于直流耦合应用，需要使用运算放大器输入电路将单端信号转换为差分信号。

5.2 外部参考与满量程范围调整

内部参考缓冲器的输出电流限制约为1mA，可以使用具有至少18mA输出驱动能力的外部参考源来覆盖内部+1.25V和+3.25V参考电压。通过调整外部参考电压，可以调整增益误差、改善增益漂移或改变满量程输入范围。

5.3 PCB布局与旁路

良好的PCB布局对于保证ADS802的正常运行和频谱响应至关重要。建议使用多层PCB，将模拟和数字接地引脚直接连接到模拟接地平面，电源引脚使用0.1µF陶瓷电容进行旁路。

5.4 时钟要求

CLK引脚接受CMOS电平的时钟输入，时钟的占空比应保持在50%，上升和下降时间应小于2ns，低抖动的时钟对于高频输入信号的数字化和最大采样率下的性能至关重要。

5.5 数字输出数据

12位输出数据以CMOS逻辑电平提供，标准输出编码为直偏移二进制（SOB），通过控制引脚19的电平可以选择二进制补码（BTC）输出。数字输出可以通过OE引脚设置为高阻态，用于测试目的。

六、动态性能测试与定义

6.1 测试要点

为了准确测试ADS802的动态性能，需要使用高精度的锁相信号源，避免使用数据加窗函数。低抖动的信号发生器和脉冲发生器配合使用，对测试信号进行低通或带通滤波，选择略低于满量程的信号幅度，以避免信号峰值削波。

6.2 性能定义

• 信号与噪声和失真比（SINAD）：衡量信号功率与噪声和前15次谐波功率之和的比值。
• 信噪比（SNR）：衡量信号功率与噪声功率的比值。
• 互调失真（IMD）：衡量最高阶互调产物功率与正弦波信号功率的比值，参考较大的测试信号。

七、总结

ADS802作为一款高性能的12位、10MHz采样模数转换器，凭借其高精度、低功耗、灵活的输入配置和出色的动态性能，在众多应用领域中具有广泛的应用前景。在实际设计中，需要根据具体的应用需求，合理选择输入配置、驱动电路、外部参考和PCB布局等，以充分发挥其性能优势。同时，在测试过程中，要注意测试方法和信号源的选择，确保测试结果的准确性。希望本文能为电子工程师在使用ADS802进行设计时提供一些有益的参考。你在使用ADS802的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。