10位65MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC10065的原理和應(yīng)用

  摘要：ADC10065是NS（National Semiconductor）公司推出的一款高速低功耗A／D轉(zhuǎn)換器，它的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)65MSPS，標(biāo)稱(chēng)功耗僅為68.4mW，且保證不失碼。文中介紹了該芯片的主要參數(shù)、工作原理和引腳功能，給出了ADC10065的簡(jiǎn)單應(yīng)用電路。

    關(guān)鍵詞：ADC10065；ADC；差分輸入；圖像采集

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ＡＤＣ１００６５是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的一款低功耗、單電源供電的ＣＭＯＳ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該芯片在３Ｖ單電源供電時(shí)，能以６５ＭＳＰＳ的采樣速率將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為精確的１０ 位數(shù)字信號(hào)，而功耗僅為６８．４ｍＷ，其備用模式時(shí)的功耗僅為１４．１ｍＷ。ＡＤＣ１００６５片內(nèi)采用具有數(shù)據(jù)糾錯(cuò)功能的差分總線結(jié)構(gòu)。因而可在最小的功耗條件下提供極優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)性能。該器件可廣泛應(yīng)用于超聲波和圖像采集、蜂窩基站／通信接收機(jī)、聲納／雷達(dá)、ｘＤＳＬ、無(wú)線局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及ＤＳＰ 前端。

ＡＤＣ１００６５的主要特性如下：

●３Ｖ單電源供電；

●滿(mǎn)標(biāo)度輸入擺幅可在２．０ Ｖｐ－ｐ,１．５ Ｖｐ－ｐ,０或 １．０ Ｖｐ－ｐ四種輸入信號(hào)中選擇；

●具有４００ＭＨｚ－３ｄＢ的輸入頻寬；

●具有靜態(tài)工作模式；

●帶有片內(nèi)基準(zhǔn)源和采樣保持放大電路；

●具有二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)格式輸出；

●可調(diào)整的輸出驅(qū)動(dòng)適合２．５Ｖ和３．３Ｖ系列的邏輯器件接口。

下面是ＡＤＣ１００６５的主要參數(shù)：

●分辨率：１０Ｂｉｔｓ；

●轉(zhuǎn)換速率：６５ＭＳＰＳ；

●ＦＰＢＷ（全功率帶寬）：４００ＭＨｚ?

●ＤＮＬ（差分非線性）：±０．３ ＬＳＢ；

●ＳＮＲ(信噪比ｆＩＮ＝３２ＭＨｚ) ：５９．３ｄＢ ；

●ＳＦＤＲ(無(wú)差錯(cuò)動(dòng)態(tài)范圍ｆＩＮ＝３２ＭＨｚ時(shí))：－８０ｄＢ；

●數(shù)據(jù)延遲：６個(gè)時(shí)鐘周期；

●參考電壓：＋３．０Ｖ；

●６５ＭＨｚ時(shí)的功耗為：６８．４ｍＷ。

圖2

２　引腳功能

圖１為ＡＤＣ１００６５的引腳排列，該器件采用２８腳ＴＳＳＯＰ封裝，各引腳的基本功能如下（括號(hào)中為引腳號(hào)）：

ＶＩＮ－，ＶＩＮ＋（１２，１３）：模擬信號(hào)輸入端。在１．２Ｖ參考電壓下，滿(mǎn)標(biāo)度輸入擺幅為１．０Ｖｐ－ｐ。單端操作時(shí)，ＶＩＮ＋可與ＶＣＯＭ連接。

ＶＲＥＦ（６）：參考電壓（１．５Ｖ）引腳,使用時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)１μＦ的旁路電容連接到ＶＳＳＡ。

ＶＲＥＦＴ，ＶＣＯＭ，ＶＲＥＦＢ（７，４，８）：ＶＲＥＦＴ和ＶＲＥＦＢ僅為高阻抗參考旁路管腳，而ＶＣＯＭ則可用作設(shè)置輸入公用電壓ＶＣＭ，這三個(gè)引腳都應(yīng)當(dāng)連接０．１μＦ的旁路電容。

ＣＬＫ（１）：數(shù)字時(shí)鐘輸入端。輸入頻率范圍為１０ＭＨｚ～６５ＭＨｚ，輸入在時(shí)鐘的上升沿有效。

ＤＦ（１５）：該引腳為高電平時(shí)，輸出為二進(jìn)制補(bǔ)碼，該腳低電平時(shí)，輸出為偏移二進(jìn)制碼。

ＳＴＢＹ（２８）：靜態(tài)備用模式管腳。高電平時(shí)，該器件轉(zhuǎn)到備用模式。

ＩＲＳ（５）：輸入范圍選擇管腳。該腳接ＶＤＤＡ?xí)r， 滿(mǎn)標(biāo)度輸入擺幅為２ＶＰ－Ｐ，接ＶＳＳＡ?xí)r為１．５ＶＰ－Ｐ，懸空時(shí)為１ＶＰ－Ｐ。

Ｄ０～Ｄ９（１６～２０，２３～２７）：數(shù)據(jù)輸出端。Ｄ０是二進(jìn)制輸出數(shù)據(jù)的最低有效位，Ｄ９是最高有效位。

ＶＤＤＡ（２，９，１０）：模擬電源正極。需與一個(gè)３Ｖ的直流電源相連并連接一０．１μＦ的旁路電容到模擬地。電容應(yīng)緊靠這些引腳，距離不超過(guò)１ｃｍ處。同時(shí)還應(yīng)并聯(lián)一４．７μＦ的電容到模擬地。

ＶＳＳＡ（３，１１，１４）：模擬地。

ＶＤＤＩＯ（２２）：數(shù)字電源正端。該腳也應(yīng)用一個(gè)０．１μＦ的電容旁路到數(shù)字地同時(shí)用一個(gè)４．７μＦ的電容并聯(lián)到數(shù)字地。該管腳上的電壓不能超過(guò)ＶＤＤＡ電壓３００ｍＶ以上。

ＶＳＳＩＯ（２１）：數(shù)字地。使用時(shí)應(yīng)與數(shù)字地相連并遠(yuǎn)離模擬地。

３　工作原理

圖２為ＡＤＣ１００６５的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

該器件由采樣保持、九級(jí)差分電路、時(shí)鐘控制、數(shù)字糾錯(cuò)、帶隙精密電源、輸出緩沖和管狀數(shù)據(jù)線等七部分組成。根據(jù)ＩＲＳ的狀態(tài)不同，差分輸入端可選擇峰峰值為１Ｖ、１．５Ｖ或２Ｖ的模擬信號(hào)，其中心值在ＶＣＭ／２，相位差為１８０°，但是，差分輸入方式可使系統(tǒng)獲得較好的性能。芯片內(nèi)部唯一的一個(gè)采樣保持級(jí)可提供４００ＭＨｚ的全功耗帶寬，數(shù)字糾錯(cuò)的多級(jí)差分電路則可保證在提供優(yōu)異動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)具有較低的功耗。ＡＤＣ１００６５內(nèi)部的＋１．２Ｖ精密基準(zhǔn)電源可用來(lái)設(shè)置該芯片的輸入信號(hào)峰值范圍。在精度要求較高時(shí)，也可以使用外部參考電源。其１０位數(shù)字輸出格式即可以是偏移二進(jìn)制碼，也可以是二進(jìn)制補(bǔ)碼。

圖３給出了ＡＤＣ１００６５的傳輸特性。

４ 應(yīng)用電路

圖４所示是ＡＤＣ１００６５的典型差分輸入應(yīng)用電路。圖中，ＡＤＣ１００６５的兩個(gè)模擬信號(hào)輸入端ＶＩＮ＋，ＶＩＮ－形成差分輸入對(duì)，公用模式腳ＶＣＯＭ用來(lái)設(shè)置共用輸入電壓ＶＣＭ。ＡＤＣ１００６５的工作參考電壓為１．２Ｖ，但在０．８～２．０Ｖ時(shí)仍有優(yōu)異性能，較低的電壓可以降低信噪比，三個(gè)旁路引腳ＶＲＥＦ、ＶＲＥＦＴ、ＶＲＥＦＢ上的０．１μＦ電容主要用來(lái)降低噪聲電流。由于模擬輸入端內(nèi)部的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)消耗一定的能量，同時(shí)會(huì)附加一定的噪聲信號(hào)，因此，應(yīng)在每一輸入端串接一１８Ω電阻，同時(shí)跨接一２５ｐＦ電容，這些元件應(yīng)盡量放置在靠近芯片的位置，輸入端是系統(tǒng)最敏感的部位，同時(shí)也是濾波的最后機(jī)會(huì)。

圖4

    由于ＣＬＫ信號(hào)用于控制采樣過(guò)程，因此，該信號(hào)應(yīng)穩(wěn)定、低抖動(dòng)，范圍應(yīng)在１０ＭＨｚ～６５ＭＨｚ、上升／下降時(shí)間應(yīng)小于２ｎｓ，其引線應(yīng)盡可能短，不能跨越任何引線，特別不能有９０°跨越。ＣＬＫ信號(hào)有時(shí)也驅(qū)動(dòng)片內(nèi)狀態(tài)機(jī)，如果它中斷或頻率太低，芯片內(nèi)電容的電荷將放電從而可能引起輸出數(shù)據(jù)精度的降低。ＣＬＫ的占空比對(duì)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器性能影響也很大，一般要求４０％～６０％，最好為５０％。

ＡＤＣ０１００６５有１０位與ＴＴＬ／ＣＭＯＳ兼容的輸出端，捕捉一位有效數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單方式就是在時(shí)鐘的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)高電容總線時(shí)，要特別小心，由于電容的充電效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)的電容越大，瞬間通過(guò)ＶＤＤＩＯ、ＶＳＳＩＯ的電流越大，這個(gè)充電尖峰脈沖可引起片內(nèi)噪聲，并可能耦合到模擬電路，以至于降低芯片的動(dòng)態(tài)性能。另外，總線電容也可引起輸出延遲時(shí)間的增加，從而使得輸出數(shù)據(jù)的鎖存變的困難。為了減小噪聲，必須最小化數(shù)據(jù)輸出端的負(fù)載電流。為此，可在ＡＤＣ輸出和外接的其它電路之間加一級(jí)數(shù)據(jù)緩沖器。