深入剖析ADS821：高性能10位40MHz采样ADC

在电子设计领域，模拟到数字的转换是一个关键环节，而ADC（模拟 - 数字转换器）的性能直接影响着整个系统的表现。今天，我们就来详细探讨一下德州仪器（Texas Instruments）的ADS821，一款低功耗、高性能的10位40MHz采样ADC。

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一、ADS821概述

1.1 产品特性

ADS821采用小几何尺寸CMOS工艺，具有诸多出色特性。它没有丢失码，内置参考，功耗低至380mW，信噪比（SNR）高达58dB，还具备内部跟踪保持功能。这些特性使得它在成像、电信和视频等应用中表现卓越。

1.2 产品描述

ADS821是一款完整的转换器，包含一个10位量化器、内部跟踪保持电路、参考电路以及掉电功能。它只需单+5V电源供电，并且可以配置为接受差分或单端输入信号。通过数字误差校正技术，它能为要求苛刻的成像应用提供出色的奈奎斯特差分线性度性能。

1.3 应用领域

ADS821的应用范围广泛，涵盖视频数字化、超声成像、伽马相机、机顶盒、电缆调制解调器、CCD成像、彩色复印机、扫描仪、摄像机、安全摄像头、传真机、中频和基带数字化以及测试仪器等领域。

二、产品规格

2.1 绝对最大额定值

在使用ADS821时，需要注意其绝对最大额定值。例如，电源电压 +V 最大为 +6V，模拟输入电压（+Vs + 30V）、逻辑输入电压（+Vs + 300mV）等都有相应的限制。超出这些额定值可能会导致器件永久性损坏，长时间暴露在绝对最大条件下还可能降低器件的可靠性。此外，该集成电路对静电放电（ESD）敏感，因此在处理时需要采取适当的预防措施。

2.2 封装与订购信息

ADS821提供SO - 28封装，有不同的订购选项，如ADS821U和ADS821U/1K ，分别对应不同的运输介质和数量。对于最新的封装和订购信息，可以参考文档末尾的封装选项附录或访问TI网站。

2.3 电气特性

ADS821的电气特性在特定条件下进行了详细规定，如环境温度 $T{A}= +25^{circ}C$ 、电源电压 $V{S}= +5V$ 、采样率为40MHz ，且时钟具有50%占空比和2ns上升下降时间。其分辨率为10位，在不同输入条件下具有特定的模拟输入范围、带宽、输入阻抗等参数。在数字输入方面，它与TTL/HCT兼容，转换命令通过下降沿触发。在精度方面，增益误差、增益漂移、电源抑制比等都有明确的指标。

2.4 动态特性

ADS821的动态特性包括差分线性误差、无丢失码、积分线性误差、无杂散动态范围（SFDR）、互调失真（IMD）、信噪比（SNR）、信号 - （噪声 + 失真）比（SINAD）等。这些指标在不同频率和输入条件下有不同的表现，反映了其在动态信号处理方面的能力。

2.5 输出特性

输出逻辑家族与TTL/HCT兼容，逻辑编码可选择，逻辑电平有明确规定。3态使能和禁用时间也在规格范围内，方便与其他电路进行接口。

2.6 电源要求

电源电压范围为 +4.75V 至 +5.25V ，工作电流、功耗和热阻等参数也有相应的规定，确保在不同工作条件下的稳定性。

三、引脚配置与时序

3.1 引脚描述

ADS821的引脚功能明确，包括接地引脚（GND）、数据位引脚（B1 - B10）、电源引脚（+Vs）、时钟输入引脚（CLK）等。部分引脚还有特殊功能，如O引脚用于控制高阻抗状态，MSBI引脚用于控制最高有效位的反相。

3.2 时序图

时序图详细展示了转换时钟的周期、占空比、上升下降时间等参数对转换性能的影响。例如，在某些条件下，为了保证无丢失码，时钟的高电平时间 $t_{H}$ 必须至少为13ns 。

四、工作原理

4.1 架构概述

ADS821是一款高速采样A/D转换器，采用流水线架构和全差分结构。通过数字误差校正技术，确保了10位分辨率。

4.2 跟踪保持电路

差分跟踪保持电路由内部时钟控制，时钟具有非重叠的2相信号φ1和φ2。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φ2，输入电容的底板连接在一起，反馈电容切换到运算放大器输出，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使用。

4.3 流水线量化器

流水线量化器架构有9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缘进行转换，子时钟频率是外部时钟的两倍。量化器的输出通过延迟线进行时间对齐，然后输入到数字误差校正电路，以调整输出数据，确保了出色的差分线性度和无丢失码。

4.4 时钟设置

对于大多数应用，时钟占空比应设置为50%。但在某些情况下，如要求无丢失码且转换速率 > 35MHz 、输入频率 < 2MHz 时，适当调整时钟占空比的偏斜可以提高DNL性能。输出数据有直偏移二进制（SOB）或二进制补码（BTC）两种格式可供选择。

五、模拟输入与内部参考

5.1 输入配置

ADS821的模拟输入可以通过多种方式配置和驱动，具体取决于信号的性质和所需的性能水平。它具有内部参考，设定了A/D转换器的满量程输入范围。差分输入范围以 +2.25V 为共模电压，每个输入的满量程范围为 +1.25V 至 +3.25V ，最终产生4V的差分输入信号。

5.2 参考应用

正满量程参考（REFT）和负满量程参考（REFB）引出用于外部旁路，共模（CM）电压可作为参考为驱动电路提供适当的偏移。但需要注意不要过度加载这个参考节点。

六、数字输出数据

6.1 输出格式

10位输出数据为CMOS逻辑电平，从启动转换信号到有效输出数据有6.5个时钟周期的数据延迟。标准输出编码为直偏移二进制，当引脚19为低电平或浮空时，满量程输入信号对应输出全为“1”；当引脚19为高电平时，输出为BTC格式，最高有效位反相。

6.2 高阻抗控制

ADS821的数字输出可以通过将OE（引脚18）置为逻辑高电平设置为高阻抗状态，低电平或浮空时为正常操作。此功能主要用于测试目的，不建议直接驱动数字总线或在转换过程中动态更改。

七、时钟要求

7.1 时钟影响

CLK引脚接受CMOS电平时钟输入，外部时钟的上升和下降沿控制流水线中的各级转换。因此，时钟信号的抖动、上升下降时间和占空比都会影响转换性能。

7.2 性能关键

低时钟抖动对于频域信号环境中的SNR性能至关重要，时钟上升和下降时间应尽可能短（最佳性能为 < 2ns ）。

八、应用电路设计

8.1 驱动电路

8.1.1 AC耦合驱动

对于AC耦合应用，可以使用变压器将单端输入转换为差分输入。选择低失真且在满量程电压下不出现磁芯饱和的变压器，并将中心抽头连接到 +2.25V 的共模电压。同时，模拟输入引脚应使用22pF电容旁路，以减少跟踪保持毛刺并提高高频性能。也可以使用低成本的电流反馈运算放大器（如OPA694）构建AC耦合单端输入接口电路，通过调整反馈电阻可以改善带宽和失真。

8.1.2 DC耦合驱动

如果信号需要DC耦合到ADS821的输入，则需要使用运算放大器输入电路。在差分输入模式下，可使用两个运算放大器将单端信号转换为差分信号。例如，使用低失真的OPA860构建电路，还可以使用二极管进行输出电平转换，以确保低失真的 +3.25V 输出摆幅。

8.1.3 单端输入配置

ADS821也可以配置为单端输入，满量程范围为 +0.25V 至 +4.25V ，将互补输入连接到共模参考电压。但这种配置会增加偶次谐波，尤其是在高频输入时。

8.2 外部参考与满量程范围调整

ADS821的内部参考缓冲器输出电流有限，因此可以使用具有至少18mA输出驱动能力的外部参考来替代内部 +1.25V 和 +3.25V 参考。通过调整外部参考，可以调整增益误差、改善增益漂移或改变满量程输入范围。

8.3 PCB布局与旁路

良好的PCB布局对于ADS821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陶瓷电容尽可能靠近引脚旁路。

8.4 动态性能测试

为了准确测试ADS821的动态性能，需要使用高精度的锁相信号源和低抖动的信号发生器。测试信号需要进行低通或带通滤波，并且信号幅度应略低于满量程，以避免信号峰值削波。

8.5 动态性能定义

了解信号 - 噪声 - 失真比（SINAD）、信噪比（SNR）和互调失真（IMD）等动态性能指标的定义，有助于准确评估ADS821的性能。

九、总结

ADS821是一款性能卓越、功能丰富的10位40MHz采样ADC，适用于多种应用场景。在设计过程中，我们需要充分考虑其各项特性和要求，合理配置输入输出、时钟和参考等参数，精心设计应用电路和PCB布局，以确保其发挥最佳性能。希望通过本文的介绍，能帮助电子工程师们更好地了解和使用ADS821，在实际项目中取得理想的效果。你在使用类似ADC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。