今年年初TI推出的兩款模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)ADS8329和ADS8330向世人展現(xiàn)了一個低功耗,、高速和高性能的獨(dú)特組合。該組合使其成為諸多應(yīng)用的理想選擇,，例如：通信,、醫(yī)療儀器、自動測試設(shè)備,、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或工業(yè)過程控制等。本文中,，TI的ADC馬達(dá)控制設(shè)計經(jīng)理FrankOhnhaeuser就上述兩款轉(zhuǎn)換器的有關(guān)性能進(jìn)行了概述,，并對有助于實(shí)現(xiàn)這些性能的關(guān)鍵要素作了闡述。
ADS8329和ADS8330屬于同一個器件系列,，他們是500kSPSADS8327和ADS8328的升級延伸,。所有產(chǎn)品均為引腳兼容，并提供了一個基于逐次逼近架構(gòu)(SAR)的ADC,。ADS8327和ADS8329均為單通道器件,，而ADS8328和ADS8330為雙通道器件。一個內(nèi)部時鐘用于對轉(zhuǎn)換計時,，但是也可以對該轉(zhuǎn)換器進(jìn)行編程,，以利用串行接口的外部時鐘。編程和數(shù)據(jù)傳送均通過一個高速串行接口來完成,。
圖1ADS8329/30結(jié)構(gòu)圖
如果轉(zhuǎn)換正在使用內(nèi)部時鐘,，那么外部時鐘就應(yīng)該被關(guān)閉。非同步時鐘信號通常會引起基板失真,，從而得到兩種選項(xiàng),。如果ADC以內(nèi)部時鐘運(yùn)行,，那么就應(yīng)該在轉(zhuǎn)換之后讀取數(shù)據(jù)，并且在數(shù)據(jù)傳送完成以前,，不應(yīng)觸發(fā)新的轉(zhuǎn)換,。如果該部件通過外部時鐘運(yùn)行，那么就可以在下一轉(zhuǎn)換期間讀取數(shù)據(jù),。外部時鐘以兩倍的轉(zhuǎn)換速度運(yùn)行,，以確保數(shù)據(jù)傳送在運(yùn)行轉(zhuǎn)換復(fù)寫(overwrite)輸出數(shù)據(jù)以前完成。
通過串行接口編程可實(shí)現(xiàn)多種額外的功能,。一種是雙通道產(chǎn)品的通道選擇,。這樣，就可擁有一個自動觸發(fā)器,，其在前一個轉(zhuǎn)換完成以后自動將轉(zhuǎn)換起始信號(CONVST)初始化為4個轉(zhuǎn)換時鐘周期,。利用鏈模式，數(shù)個同步采樣ADC的數(shù)據(jù)可以通過一個串行接口讀取,。您可以在產(chǎn)品說明書中查看到其他的特性,。
該轉(zhuǎn)換器系列專門優(yōu)化用以實(shí)現(xiàn)低功耗，以便具有多種功耗降低特性,。在慢內(nèi)部信號保持上電而快速(300ns)恢復(fù)模塊被關(guān)閉的情況下,，得以實(shí)施一個NAP模式。我們可以將2.7V電源電壓的電流消耗從5mA降低至0.25mA,，將5V電源電壓的電流消耗從7mA降低至0.3mA,。可以通過串行接口或觸發(fā)CONVST信號來喚醒ADC,。在正常運(yùn)行狀態(tài)下,，CONVST信號將會立即凍結(jié)輸入電壓，并開始轉(zhuǎn)換,。在NAP模式下,，ADC首先醒來，同時數(shù)據(jù)在6個時鐘周期以后自動被凍結(jié),。
為了最小化開銷,，可將轉(zhuǎn)換器置于一種AUTONAP模式。在該模式下,，一旦轉(zhuǎn)換完成,，轉(zhuǎn)換器就會自動地降低其電流消耗。因此,，CONVST信號可以被用于喚醒ADC,，并開始轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換完成以后,，ADC將再次降低其功耗,。
如果ADC長期保持非使用狀態(tài),，那么深度睡眠(PD)功能應(yīng)該被用于充分降低ADC功耗。剩余的漏電流通常為4nA,。圖2和圖3顯示了NAP和PD運(yùn)行中電流消耗與采樣速率的關(guān)系,。由于存在更長的喚醒時間，因此,，深度睡眠運(yùn)行模式應(yīng)該只在低采樣速率條件下才使用,。對于100kSPS以上的采樣速率而言，NAP功能更為有效,。
圖2在NAP模式下,，電流消耗與采樣速率的關(guān)系
圖3在PD模式下，電流消耗與采樣速率的關(guān)系
就節(jié)能而言,，我們建議關(guān)閉ADC的外部時鐘,。否則，電流消耗可能會保持在1mA以上,。ADS8329/30不同于一些有競爭力的產(chǎn)品,，因?yàn)槠淇梢员挥糜谳^寬的電源電壓范圍。在2.7V到5V的范圍內(nèi)可以選擇模擬電源電壓,，而數(shù)字接口則可以始終在低至1.65V的電壓下工作,。
ADS8329/30的設(shè)計不僅是為了實(shí)現(xiàn)低功耗，還為了實(shí)現(xiàn)高性能,。一個內(nèi)部動態(tài)誤差允許對較小調(diào)整進(jìn)行校正,，以及轉(zhuǎn)換期間的散熱效果，同時在轉(zhuǎn)換結(jié)束時對其進(jìn)行校正,。該功能以及封裝內(nèi)的微調(diào)功能使差分線性度保持在±0.5LSB的范圍內(nèi),。緊密的差分線性度還有助于達(dá)到一個較好的積分線性。圖4和圖5顯示了這種典型的線性度,。
圖4LSB中差分非線性與1MSPS輸出代碼的關(guān)系
圖5LSB中積分非線性與1MSPS輸出代碼的關(guān)系
當(dāng)功耗受到限制時，噪聲優(yōu)化就變得困難了,。在ADS8329/30上,，通過將參考緩沖器移出ADC，可以實(shí)現(xiàn)低噪聲,。這就要求一個外部電容器能夠?qū)τ葾DC電容器陣列引起的參考突波進(jìn)行補(bǔ)償,。如果這種電容器高至216+1，那么在一個轉(zhuǎn)換期間該電容器的壓降會保持在LSB的一半以下,。對于ADS8329而言,，推薦使用22uF陶瓷電容器，以其0805尺寸和X5R質(zhì)量,，現(xiàn)在開始供貨,。參考電壓應(yīng)該具有一個良好的負(fù)載抑制,，以便轉(zhuǎn)換器輸入的平均電流不會引起參考輸入壓降（該壓降超過了LSB的一半）
圖6DC輸入電壓下4096代碼的代碼分布
除該參考電壓以外，內(nèi)部電容器也是一個主要的噪聲源,。動態(tài)誤差校正允許較小的內(nèi)部調(diào)整誤差,。這樣，就可以減少比較器帶寬,。這兩個因素均限制了噪聲,，因此就實(shí)現(xiàn)了一個DC輸入電壓的緊密噪聲分布（如圖6所示）。共計4096個采樣中的4087個采樣僅分布在2個代碼上面,。
市場上有少數(shù)產(chǎn)品表現(xiàn)出更為緊密的噪聲分布,，但是這些產(chǎn)品擁有全對稱、全差動輸入信號,，其要求具有一個復(fù)雜的輸入結(jié)構(gòu),。ADS8329/30提供了簡單的單端輸入范圍，因此能夠使用成本更低的CMOS放大器,，例如：OPA365,。
良好的線性和噪聲性能還體現(xiàn)在ADS8329/30的AC性能上（能實(shí)現(xiàn)高達(dá)93dB的SNR）。這種差分非線性將影響SNR,，同時積分非線性會引起諧波,。圖7顯示了一個10kHz輸入頻率和4096采樣的FFT，同時還證實(shí)具有低諧波失真,。更高頻率時,，總諧波失真(THD)取決于非線性輸入開關(guān)和內(nèi)部電容器。
這些非線性組件將會使THD迅速降低,。在圖8中,，這種變化得到了監(jiān)控。但是,，相比一些頗具競爭力的產(chǎn)品,，該下降趨勢不那么劇烈。在其內(nèi)部,，使用了一種非常特殊的開關(guān)結(jié)構(gòu),，以便使這些非線性開關(guān)位于一個低阻抗工作點(diǎn)上。這就大大降低了開關(guān)的影響,。
圖7顯示一個10kHz輸入信號的4096采樣FFT
單通道ADS8329和雙通道ADS8330既不是市場上最快的SAR轉(zhuǎn)換器也沒有提供最低的噪聲性能,，但是它們是一種非常獨(dú)特的最低功耗、高速,、低噪聲和良好線性度的組合,。這就使它們特別適合于那些重視低功耗和高性能的各種應(yīng)用，例如：手持終端設(shè)備或多通道同步采樣應(yīng)用等,。
圖8總諧波失真與輸入頻率的關(guān)系