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10位65MSPS模數轉換芯片ADC10065的原理和應用
摘要：ADC10065是NS（NationalSemiconductor）公司推出的一款高速低功耗A／D轉換器，它的轉換速率可達65MSPS，標稱功耗僅為68.4mW，且保證不失碼。文中介紹了該芯片的主要參數、工作原理和引腳功能，給出了ADC10065的簡單應用電路。關鍵詞：ADC10065；ADC；差分輸入；圖像采集
１ＡＤＣ１００６５的主要特點
ＡＤＣ１００６５是美國國家半導體公司推出的一款低功耗、單電源供電的ＣＭＯＳ模數轉換器。該芯片在３Ｖ單電源供電時，能以６５ＭＳＰＳ的采樣速率將模擬信號轉為精確的１０位數字信號，而功耗僅為６８．４ｍＷ，其備用模式時的功耗僅為１４．１ｍＷ。ＡＤＣ１００６５片內采用具有數據糾錯功能的差分總線結構。因而可在最小的功耗條件下提供極優秀的動態性能。該器件可廣泛應用于超聲波和圖像采集、蜂窩基站／通信接收機、聲納／雷達、ｘＤＳＬ、無線局域網、數據采集系統以及ＤＳＰ前端。
ＡＤＣ１００６５的主要特性如下：
●３Ｖ單電源供電；
●滿標度輸入擺幅可在２．０Ｖｐ－ｐ,１．５Ｖｐ－ｐ,０或１．０Ｖｐ－ｐ四種輸入信號中選擇；
●具有４００ＭＨｚ－３ｄＢ的輸入頻寬；
●具有靜態工作模式；
●帶有片內基準源和采樣保持放大電路；
●具有二進制補碼數據格式輸出；
●可調整的輸出驅動適合２．５Ｖ和３．３Ｖ系列的邏輯器件接口。
下面是ＡＤＣ１００６５的主要參數：
●分辨率：１０Ｂｉｔｓ；
●轉換速率：６５ＭＳＰＳ；
●ＦＰＢＷ（全功率帶寬）：４００ＭＨｚ?
●ＤＮＬ（差分非線性）：±０．３ＬＳＢ；
●ＳＮＲ(信噪比ｆＩＮ＝３２ＭＨｚ)：５９．３ｄＢ；
●ＳＦＤＲ(無差錯動態范圍ｆＩＮ＝３２ＭＨｚ時)：－８０ｄＢ；
●數據延遲：６個時鐘周期；
●參考電壓：＋３．０Ｖ；
●６５ＭＨｚ時的功耗為：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（括號中為引腳號）：
ＶＩＮ－，ＶＩＮ＋（１２，１３）：模擬信號輸入端。在１．２Ｖ參考電壓下，滿標度輸入擺幅為１．０Ｖｐ－ｐ。單端操作時，ＶＩＮ＋可與ＶＣＯＭ連接。
ＶＲＥＦ（６）：參考電壓（１．５Ｖ）引腳,使用時應通過一個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則可用作設置輸入公用電壓ＶＣＭ，這三個引腳都應當連接０．１μＦ的旁路電容。
ＣＬＫ（１）：數字時鐘輸入端。輸入頻率范圍為１０ＭＨｚ～６５ＭＨｚ，輸入在時鐘的上升沿有效。
ＤＦ（１５）：該引腳為高電平時，輸出為二進制補碼，該腳低電平時，輸出為偏移二進制碼。
ＳＴＢＹ（２８）：靜態備用模式管腳。高電平時，該器件轉到備用模式。
ＩＲＳ（５）：輸入范圍選擇管腳。該腳接ＶＤＤＡ時，滿標度輸入擺幅為２ＶＰ－Ｐ，接ＶＳＳＡ時為１．５ＶＰ－Ｐ，懸空時為１ＶＰ－Ｐ。
Ｄ０～Ｄ９（１６～２０，２３～２７）：數據輸出端。Ｄ０是二進制輸出數據的最低有效位，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。電容應緊靠這些引腳，距離不超過１ｃｍ處。同時還應并聯一４．７μＦ的電容到模擬地。
ＶＳＳＡ（３，１１，１４）：模擬地。
Ｖ
ＤＤＩＯ（２２）：數字電源正端。該腳也應用一個０．１μＦ的電容旁路到數字地同時用一個４．７μＦ的電容并聯到數字地。該管腳上的電壓不能超過ＶＤＤＡ電壓３００ｍＶ以上。
ＶＳＳＩＯ（２１）：數字地。使用時應與數字地相連并遠離模擬地。
３工作原理
圖２為ＡＤＣ１００６５的內部結構框圖。
該器件由采樣保持、九級差分電路、時鐘控制、數字糾錯、帶隙精密電源、輸出緩沖和管狀數據線等七部分組成。根據ＩＲＳ的狀態不同，差分輸入端可選擇峰峰值為１Ｖ、１．５Ｖ或２Ｖ的模擬信號，其中心值在ＶＣＭ／２，相位差為１８０°，但是，差分輸入方式可使系統獲得較好的性能。芯片內部唯一的一個采樣保持級可提供４００ＭＨｚ的全功耗帶寬，數字糾錯的多級差分電路則可保證在提供優異動態性能的同時具有較低的功耗。ＡＤＣ１００６５內部的＋１．２Ｖ精密基準電源可用來設置該芯片的輸入信號峰值范圍。在精度要求較高時，也可以使用外部參考電源。其１０位數字輸出格式即可以是偏移二進制碼，也可以是二進制補碼。
圖３給出了ＡＤＣ１００６５的傳輸特性。
４應用電路
圖４所示是ＡＤＣ１００６５的典型差分輸入應用電路。圖中，ＡＤＣ１００６５的兩個模擬信號輸入端ＶＩＮ＋，ＶＩＮ－形成差分輸入對，公用模式腳ＶＣＯＭ用來設置共用輸入電壓ＶＣＭ。ＡＤＣ１００６５的工作參考電壓為１．２Ｖ，但在０．８～２．０Ｖ時仍有優異性能，較低的電壓可以降低信噪比，三個旁路引腳ＶＲＥＦ、ＶＲＥＦＴ、ＶＲＥＦＢ上的０．１μＦ電容主要用來降低噪聲電流。由于模擬輸入端內部的開關動作會消耗一定的能量，同時會附加一定的噪聲信號，因此，應在每一輸入端串接一１８Ω電阻，同時跨接一２５ｐＦ電容，這些元件應盡量放置在靠近芯片的位置，輸入端是系統最敏感的部位，同時也是濾波的最后機會。
圖4
由于ＣＬＫ信號用于控制采樣過程，因此，該信號應穩定、低抖動，范圍應在１０ＭＨｚ～６５ＭＨｚ、上升／下降時間應小于２ｎｓ，其引線應盡可能短，不能跨越任何引線，特別不能有９０°跨越。ＣＬＫ信號有時也驅動片內狀態機，如果它中斷或頻率太低，芯片內電容的電荷將放電從而可能引起輸出數據精度的降低。ＣＬＫ的占空比對Ａ／Ｄ轉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，捕捉一位有效數據的簡單方式就是在時鐘的上升沿鎖存數據。當驅動高電容總線時，要特別小心，由于電容的充電效應，驅動的電容越大，瞬間通過ＶＤＤＩＯ、ＶＳＳＩＯ的電流越大，這個充電尖峰脈沖可引起片內噪聲，并可能耦合到模擬電路，以至于降低芯片的動態性能。另外，總線電容也可引起輸出延遲時間的增加，從而使得輸出數據的鎖存變的困難。為了減小噪聲，必須最小化數據輸出端的負載電流。為此，可在ＡＤＣ輸出和外接的其它電路之間加一級數據緩沖器。
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