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10位65MSPS模数转换芯片ADC10065的原理和应用
摘要：ADC10065是NS（NationalSemiconductor）公司推出的一款高速低功耗A／D转换器，它的转换速率可达65MSPS，标称功耗仅为68.4mW，且保证不失码。文中介绍了该芯片的主要参数、工作原理和引脚功能，给出了ADC10065的简单应用电路。关键词：ADC10065；ADC；差分输入；图像采集
１ＡＤＣ１００６５的主要特点
ＡＤＣ１００６５是美国国家半导体公司推出的一款低功耗、单电源供电的ＣＭＯＳ模数转换器。该芯片在３Ｖ单电源供电时，能以６５ＭＳＰＳ的采样速率将模拟信号转为精确的１０位数字信号，而功耗仅为６８．４ｍＷ，其备用模式时的功耗仅为１４．１ｍＷ。ＡＤＣ１００６５片内采用具有数据纠错功能的差分总线结构。因而可在最小的功耗条件下提供极优秀的动态性能。该器件可广泛应用于超声波和图像采集、蜂窝基站／通信接收机、声纳／雷达、ｘＤＳＬ、无线局域网、数据采集系统以及ＤＳＰ前端。
ＡＤＣ１００６５的主要特性如下：
●３Ｖ单电源供电；
●满标度输入摆幅可在２．０Ｖｐ－ｐ,１．５Ｖｐ－ｐ,０或１．０Ｖｐ－ｐ四种输入信号中选择；
●具有４００ＭＨｚ－３ｄＢ的输入频宽；
●具有静态工作模式；
●带有片内基准源和采样保持放大电路；
●具有二进制补码数据格式输出；
●可调整的输出驱动适合２．５Ｖ和３．３Ｖ系列的逻辑器件接口。
下面是ＡＤＣ１００６５的主要参数：
●分辨率：１０Ｂｉｔｓ；
●转换速率：６５ＭＳＰＳ；
●ＦＰＢＷ（全功率带宽）：４００ＭＨｚ?
●ＤＮＬ（差分非线性）：±０．３ＬＳＢ；
●ＳＮＲ(信噪比ｆＩＮ＝３２ＭＨｚ)：５９．３ｄＢ；
●ＳＦＤＲ(无差错动态范围ｆＩＮ＝３２ＭＨｚ时)：－８０ｄＢ；
●数据延迟：６个时钟周期；
●参考电压：＋３．０Ｖ；
●６５ＭＨｚ时的功耗为：６８．４ｍＷ。
图2
２引脚功能
图１为ＡＤＣ１００６５的引脚排列，该器件采用２８脚ＴＳＳＯＰ封装，各引脚的基本功能如下（括号中为引脚号）：
ＶＩＮ－，ＶＩＮ＋（１２，１３）：模拟信号输入端。在１．２Ｖ参考电压下，满标度输入摆幅为１．０Ｖｐ－ｐ。单端操作时，ＶＩＮ＋可与ＶＣＯＭ连接。
ＶＲＥＦ（６）：参考电压（１．５Ｖ）引脚,使用时应通过一个１μＦ的旁路电容连接到ＶＳＳＡ。
ＶＲＥＦＴ，ＶＣＯＭ，ＶＲＥＦＢ（７，４，８）：ＶＲＥＦＴ和ＶＲＥＦＢ仅为高阻抗参考旁路管脚，而ＶＣＯＭ则可用作设置输入公用电压ＶＣＭ，这三个引脚都应当连接０．１μＦ的旁路电容。
ＣＬＫ（１）：数字时钟输入端。输入频率范围为１０ＭＨｚ～６５ＭＨｚ，输入在时钟的上升沿有效。
ＤＦ（１５）：该引脚为高电平时，输出为二进制补码，该脚低电平时，输出为偏移二进制码。
ＳＴＢＹ（２８）：静态备用模式管脚。高电平时，该器件转到备用模式。
ＩＲＳ（５）：输入范围选择管脚。该脚接ＶＤＤＡ时，满标度输入摆幅为２ＶＰ－Ｐ，接ＶＳＳＡ时为１．５ＶＰ－Ｐ，悬空时为１ＶＰ－Ｐ。
Ｄ０～Ｄ９（１６～２０，２３～２７）：数据输出端。Ｄ０是二进制输出数据的最低有效位，Ｄ９是最高有效位。
ＶＤＤＡ（２，９，１０）：模拟电源正极。需与一个３Ｖ的直流电源相连并连接一０．１μＦ的旁路电容到模拟地。电容应紧靠这些引脚，距离不超过１ｃｍ处。同时还应并联一４．７μＦ的电容到模拟地。
ＶＳＳＡ（３，１１，１４）：模拟地。
Ｖ
ＤＤＩＯ（２２）：数字电源正端。该脚也应用一个０．１μＦ的电容旁路到数字地同时用一个４．７μＦ的电容并联到数字地。该管脚上的电压不能超过ＶＤＤＡ电压３００ｍＶ以上。
ＶＳＳＩＯ（２１）：数字地。使用时应与数字地相连并远离模拟地。
３工作原理
图２为ＡＤＣ１００６５的内部结构框图。
该器件由采样保持、九级差分电路、时钟控制、数字纠错、带隙精密电源、输出缓冲和管状数据线等七部分组成。根据ＩＲＳ的状态不同，差分输入端可选择峰峰值为１Ｖ、１．５Ｖ或２Ｖ的模拟信号，其中心值在ＶＣＭ／２，相位差为１８０°，但是，差分输入方式可使系统获得较好的性能。芯片内部唯一的一个采样保持级可提供４００ＭＨｚ的全功耗带宽，数字纠错的多级差分电路则可保证在提供优异动态性能的同时具有较低的功耗。ＡＤＣ１００６５内部的＋１．２Ｖ精密基准电源可用来设置该芯片的输入信号峰值范围。在精度要求较高时，也可以使用外部参考电源。其１０位数字输出格式即可以是偏移二进制码，也可以是二进制补码。
图３给出了ＡＤＣ１００６５的传输特性。
４应用电路
图４所示是ＡＤＣ１００６５的典型差分输入应用电路。图中，ＡＤＣ１００６５的两个模拟信号输入端ＶＩＮ＋，ＶＩＮ－形成差分输入对，公用模式脚ＶＣＯＭ用来设置共用输入电压ＶＣＭ。ＡＤＣ１００６５的工作参考电压为１．２Ｖ，但在０．８～２．０Ｖ时仍有优异性能，较低的电压可以降低信噪比，三个旁路引脚ＶＲＥＦ、ＶＲＥＦＴ、ＶＲＥＦＢ上的０．１μＦ电容主要用来降低噪声电流。由于模拟输入端内部的开关动作会消耗一定的能量，同时会附加一定的噪声信号，因此，应在每一输入端串接一１８Ω电阻，同时跨接一２５ｐＦ电容，这些元件应尽量放置在靠近芯片的位置，输入端是系统最敏感的部位，同时也是滤波的最后机会。
图4
由于ＣＬＫ信号用于控制采样过程，因此，该信号应稳定、低抖动，范围应在１０ＭＨｚ～６５ＭＨｚ、上升／下降时间应小于２ｎｓ，其引线应尽可能短，不能跨越任何引线，特别不能有９０°跨越。ＣＬＫ信号有时也驱动片内状态机，如果它中断或频率太低，芯片内电容的电荷将放电从而可能引起输出数据精度的降低。ＣＬＫ的占空比对Ａ／Ｄ转换器性能影响也很大，一般要求４０％～６０％，最好为５０％。
ＡＤＣ０１００６５有１０位与ＴＴＬ／ＣＭＯＳ兼容的输出端，捕捉一位有效数据的简单方式就是在时钟的上升沿锁存数据。当驱动高电容总线时，要特别小心，由于电容的充电效应，驱动的电容越大，瞬间通过ＶＤＤＩＯ、ＶＳＳＩＯ的电流越大，这个充电尖峰脉冲可引起片内噪声，并可能耦合到模拟电路，以至于降低芯片的动态性能。另外，总线电容也可引起输出延迟时间的增加，从而使得输出数据的锁存变的困难。为了减小噪声，必须最小化数据输出端的负载电流。为此，可在ＡＤＣ输出和外接的其它电路之间加一级数据缓冲器。
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