18位5 MSPS PulSAR差分ADC AD7960深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度、高速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）一直是關(guān)鍵組件。今天，我們來(lái)深入了解一款來(lái)自Analog Devices的18位、5 MSPS PulSAR差分ADC——AD7960，它在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，下面將從特性、工作原理、應(yīng)用場(chǎng)景等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

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1. AD7960的特性亮點(diǎn)

1.1 高分辨率與高性能

AD7960具備18位分辨率，且無(wú)丟失碼，這意味著它能夠提供非常精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在AC和DC性能方面表現(xiàn)卓越，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)100 dB，信噪比（SNR）為99 dB，總諧波失真（THD）低至 -117 dB，積分非線性（INL）典型值為±0.8 LSB，最大值為±2 LSB，差分非線性（DNL）典型值為±0.5 LSB，最大值為±0.99 LSB。這些出色的指標(biāo)使得它在對(duì)精度要求極高的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

1.2 寬輸入電壓范圍

其真正的差分模擬輸入電壓范圍為±4.096 V或±5 V，能夠適應(yīng)不同的輸入信號(hào)，為設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性。

1.3 低功耗設(shè)計(jì)

在不同的工作模式下，AD7960都展現(xiàn)出了良好的功耗特性。例如，在5 MSPS且使用外部參考緩沖器（回波時(shí)鐘模式）時(shí)，功耗為46.5 mW；使用內(nèi)部參考緩沖器（回波時(shí)鐘模式）時(shí)，功耗為64.5 mW；在自時(shí)鐘模式（CNV±為CMOS模式）且使用外部參考緩沖器時(shí)，功耗為39 mW。這種低功耗設(shè)計(jì)有助于降低系統(tǒng)的整體功耗，延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

1.4 多種工作模式與接口

采用SAR架構(gòu)，無(wú)延遲/流水線延遲，支持外部參考選項(xiàng)，包括2.048 V緩沖至4.096 V（內(nèi)部參考緩沖器）、4.096 V和5 V。具備串行LVDS接口，支持自時(shí)鐘模式和回波時(shí)鐘模式，并且CNV±信號(hào)可選擇LVDS或CMOS模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和系統(tǒng)架構(gòu)。

1.5 寬溫度范圍

工作溫度范圍為 -40°C至 +85°C，能夠在較為惡劣的環(huán)境條件下穩(wěn)定工作，保證了設(shè)備的可靠性。

2. 工作原理

2.1 轉(zhuǎn)換過(guò)程

AD7960基于電荷再分配逐次逼近（SAR）架構(gòu)，其電容式DAC由兩個(gè)相同的18位二進(jìn)制加權(quán)電容陣列組成，連接到兩個(gè)比較器輸入。在采集階段，電容陣列的端子通過(guò)SW+和SW - 連接到GND，所有獨(dú)立開(kāi)關(guān)連接到模擬輸入，此時(shí)電容陣列作為采樣電容采集IN+和IN - 輸入上的模擬信號(hào)。當(dāng)采集階段完成且CNV±輸入變高時(shí)，轉(zhuǎn)換階段開(kāi)始。轉(zhuǎn)換時(shí)，SW+和SW - 首先打開(kāi)，電容陣列與輸入斷開(kāi)并連接到GND輸入，采集階段結(jié)束時(shí)捕獲的輸入（IN+和IN -）之間的差分電壓被應(yīng)用到比較器輸入，使比較器失衡。通過(guò)將電容陣列的每個(gè)元素在GND和REF（參考電壓）之間切換，比較器輸入以二進(jìn)制加權(quán)電壓步長(zhǎng)（VREF/2、VREF/4 … VREF/262,144）變化?？刂七壿嬍紫惹袚QMSB，使比較器恢復(fù)平衡，最終生成ADC輸出代碼。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

AD7960的數(shù)字接口使用低電壓差分信號(hào)（LVDS）實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。轉(zhuǎn)換結(jié)果在tMSB（從轉(zhuǎn)換開(kāi)始到MSB可用的時(shí)間）過(guò)后可供讀取，用戶需要向AD7960施加突發(fā)LVDS CLK±信號(hào)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字主機(jī)。CLK±信號(hào)將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)輸出D±。

3. 典型應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 數(shù)字成像系統(tǒng)

在數(shù)字X射線、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和紅外（IR）相機(jī)等數(shù)字成像系統(tǒng)中，AD7960的高分辨率、低噪聲和高速度特性能夠滿足對(duì)圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)采集速度的要求，有助于提高成像的清晰度和準(zhǔn)確性。

3.2 高速數(shù)據(jù)采集

在需要高速采集數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，如光譜學(xué)、測(cè)試設(shè)備等，AD7960的5 MSPS吞吐量能夠快速準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析和處理提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 MRI梯度控制

在磁共振成像（MRI）系統(tǒng)中，AD7960可用于梯度控制，其高精度和低噪聲特性有助于提高M(jìn)RI圖像的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

4. 電壓參考選項(xiàng)

AD7960允許對(duì)參考電壓進(jìn)行緩沖，有三種外部參考使用選項(xiàng)：

• 外部緩沖的5 V參考源應(yīng)用于REF引腳。
• 外部緩沖的4.096 V參考源應(yīng)用于REF引腳。
• 2.048 V外部參考應(yīng)用于REFIN引腳（高阻抗輸入），片上緩沖器將其增益2倍并驅(qū)動(dòng)REF引腳輸出4.096 V。

通過(guò)EN1和EN0引腳可以控制不同的參考選項(xiàng)，EN2控制 -3 dB輸入帶寬，EN3控制VCM參考輸出。使用5 V外部電壓參考選項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)最佳的SNR和動(dòng)態(tài)范圍性能，約提高1.7 dB。

5. 電源與布局注意事項(xiàng)

5.1 電源

AD7960使用5 V（VDD1）、1.8 V（VDD2）電源以及數(shù)字輸入/輸出接口電源（VIO）。建議使用Analog Devices的LDO（如ADP7104 - 5和ADP124 - 1.8）來(lái)生成所需電源。在電源上電時(shí)，應(yīng)先給核心電源（1.8 V）上電，然后再給5 V電源上電，最后施加模擬輸入。

5.2 布局

在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，應(yīng)將模擬和數(shù)字部分分開(kāi)，避免數(shù)字線路在器件下方布線，防止噪聲耦合。不要在模擬信號(hào)路徑附近運(yùn)行快速開(kāi)關(guān)信號(hào)，避免數(shù)字和模擬信號(hào)交叉。使用至少一個(gè)接地平面，可以是公共的或在數(shù)字和模擬部分之間分開(kāi)，在AD7960器件下方連接這些平面。同時(shí)，要對(duì)REF引腳進(jìn)行去耦，將參考去耦陶瓷電容靠近REF和REF_GND引腳放置，并使用寬而低阻抗的走線連接。對(duì)VDD1、VDD2和VIO電源使用陶瓷電容（通常為100 nF）進(jìn)行去耦，放置在靠近AD7960的位置，并使用短而寬的走線連接，以提供低阻抗路徑并減少電源線上的干擾。

6. 數(shù)字接口與轉(zhuǎn)換控制

6.1 轉(zhuǎn)換控制

所有模數(shù)轉(zhuǎn)換由CNV±信號(hào)控制，該信號(hào)可以是CNV +/CNV - LVDS信號(hào)，也可以是當(dāng)CNV - 接地時(shí)施加到CNV +引腳的1.8 V CMOS邏輯信號(hào)。轉(zhuǎn)換由CNV±信號(hào)的上升沿啟動(dòng)。

6.2 數(shù)字接口模式

• 回波時(shí)鐘接口模式：該模式只需要數(shù)字主機(jī)上的一個(gè)移位寄存器，適用于多種數(shù)字主機(jī)（如FPGA、移位寄存器和微處理器）。需要三個(gè)LVDS對(duì)（D±、CLK±和DCO±）。時(shí)鐘DCO±是CLK±的緩沖副本，與數(shù)據(jù)D±同步，數(shù)據(jù)在DCO±的下降沿更新。轉(zhuǎn)換由CNV±脈沖的上升沿啟動(dòng)，在轉(zhuǎn)換期間忽略額外的CNV±脈沖。tMSB過(guò)后，主機(jī)開(kāi)始發(fā)送CLK±脈沖，在tCLKL之前完成18個(gè)CLK±脈沖的發(fā)送，否則數(shù)據(jù)會(huì)丟失。
• 自時(shí)鐘模式：該模式將ADC和數(shù)字主機(jī)之間的走線數(shù)量減少到兩個(gè)LVDS對(duì)（CLK±和D±），多個(gè)AD7960設(shè)備可以共享一個(gè)公共的CLK±信號(hào)。每個(gè)ADC數(shù)據(jù)字前面有一個(gè)010頭序列，用于在數(shù)字主機(jī)中同步D±數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換由CNV±脈沖啟動(dòng)，tMSB過(guò)后，主機(jī)開(kāi)始發(fā)送CLK±信號(hào)，必須在tMSB和后續(xù)的tCLKL之間完成20個(gè)CLK±脈沖的發(fā)送，否則數(shù)據(jù)會(huì)被覆蓋。

7. 總結(jié)

AD7960作為一款高性能的18位、5 MSPS PulSAR差分ADC，憑借其高分辨率、低功耗、多種工作模式和接口等特性，在數(shù)字成像、高速數(shù)據(jù)采集、MRI梯度控制等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理選擇電壓參考選項(xiàng)、注意電源和布局，正確使用數(shù)字接口和轉(zhuǎn)換控制模式，能夠充分發(fā)揮AD7960的性能優(yōu)勢(shì)，為電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)更高的精度和可靠性。各位電子工程師在實(shí)際應(yīng)用中，不妨根據(jù)具體需求，深入挖掘AD7960的潛力，創(chuàng)造出更優(yōu)秀的設(shè)計(jì)作品。