功耗仅为15.5mW的16位1MSPS模数转换器_技术

功耗仅为15.5mW的16位1MSPS模数转换器

今年年初 TI 推出的两款模数转换器 (ADC) ADS8329 和 ADS8330 向世人展现了一个低功耗、高速和高性能的独特组合。该组合使其成为诸多应用的理想选择，例如：通信、医疗仪器、自动测试设备、数据采集系统或工业过程控制等。本文中，TI 的 ADC 马达控制设计经理 Frank Ohnhaeuser 就上述两款转换器的有关性能进行了概述，并对有助于实现这些性能的关键要素作了阐述。

ADS8329 和 ADS8330 属于同一个器件系列，他们是 500kSPS ADS8327 和 ADS8328 的升级延伸。所有产品均为引脚兼容，并提供了一个基于逐次逼近架构 (SAR) 的 ADC。ADS8327 和 ADS8329 均为单通道器件，而 ADS8328 和 ADS8330 为双通道器件。一个内部时钟用于对转换计时，但是也可以对该转换器进行编程，以利用串行接口的外部时钟。编程和数据传送均通过一个高速串行接口来完成。

图 1 ADS8329/30 结构图

如果转换正在使用内部时钟，那么外部时钟就应该被关闭。非同步时钟信号通常会引起基板失真，从而得到两种选项。如果 ADC 以内部时钟运行，那么就应该在转换之后读取数据，并且在数据传送完成以前，不应触发新的转换。如果该部件通过外部时钟运行，那么就可以在下一转换期间读取数据。外部时钟以两倍的转换速度运行，以确保数据传送在运行转换复写 (overwrite) 输出数据以前完成。

通过串行接口编程可实现多种额外的功能。一种是双通道产品的通道选择。这样，就可拥有一个自动触发器，其在前一个转换完成以后自动将转换起始信号 (CONVST) 初始化为 4 个转换时钟周期。利用链模式，数个同步采样 ADC 的数据可以通过一个串行接口读取。您可以在产品说明书中查看到其他的特性。

该转换器系列专门优化用以实现低功耗，以便具有多种功耗降低特性。在慢内部信号保持上电而快速 (300ns) 恢复模块被关闭的情况下，得以实施一个 NAP 模式。我们可以将 2.7V 电源电压的电流消耗从 5mA 降低至 0.25mA，将 5V 电源电压的电流消耗从 7mA 降低至 0.3mA。可以通过串行接口或触发 CONVST 信号来唤醒 ADC。在正常运行状态下，CONVST 信号将会立即冻结输入电压，并开始转换。在 NAP 模式下，ADC 首先醒来，同时数据在 6 个时钟周期以后自动被冻结。

为了最小化开销，可将转换器置于一种 AUTONAP 模式。在该模式下，一旦转换完成，转换器就会自动地降低其电流消耗。因此，CONVST 信号可以被用于唤醒 ADC，并开始转换。在转换完成以后，ADC 将再次降低其功耗。

如果 ADC 长期保持非使用状态，那么深度睡眠 (PD) 功能应该被用于充分降低 ADC 功耗。剩余的漏电流通常为 4nA。图 2 和图 3 显示了 NAP 和 PD 运行中电流消耗与采样速率的关系。由于存在更长的唤醒时间，因此，深度睡眠运行模式应该只在低采样速率条件下才使用。对于 100kSPS 以上的采样速率而言，NAP 功能更为有效。

图 2 在 NAP 模式下，电流消耗与采样速率的关系

图 3 在 PD 模式下，电流消耗与采样速率的关系

就节能而言，我们建议关闭 ADC 的外部时钟。否则，电流消耗可能会保持在 1mA 以上。ADS8329/30 不同于一些有竞争力的产品，因为其可以被用于较宽的电源电压范围。在 2.7V 到 5V 的范围内可以选择模拟电源电压，而数字接口则可以始终在低至 1.65V 的电压下工作。

ADS8329/30 的设计不仅是为了实现低功耗，还为了实现高性能。一个内部动态误差允许对较小调整进行校正，以及转换期间的散热效果，同时在转换结束时对其进行校正。该功能以及封装内的微调功能使差分线性度保持在 ±0.5LSB 的范围内。紧密的差分线性度还有助于达到一个较好的积分线性。图 4和图 5 显示了这种典型的线性度。

图 4 LSB 中差分非线性与 1MSPS 输出代码的关系

图 5 LSB 中积分非线性与 1MSPS 输出代码的关系

当功耗受到限制时，噪声优化就变得困难了。在 ADS8329/30 上，通过将参考缓冲器移出 ADC，可以实现低噪声。这就要求一个外部电容器能够对由 ADC 电容器阵列引起的参考突波进行补偿。如果这种电容器高至 216+1，那么在一个转换期间该电容器的压降会保持在 LSB 的一半以下。对于 ADS8329 而言，推荐使用 22uF 陶瓷电容器，以其 0805 尺寸和 X5R 质量，现在开始供货。参考电压应该具有一个良好的负载抑制，以便转换器输入的平均电流不会引起参考输入压降（该压降超过了 LSB 的一半）

图 6 DC 输入电压下 4096 代码的代码分布

除该参考电压以外，内部电容器也是一个主要的噪声源。动态误差校正允许较小的内部调整误差。这样，就可以减少比较器带宽。这两个因素均限制了噪声，因此就实现了一个 DC 输入电压的紧密噪声分布（如图 6 所示）。共计 4096 个采样中的 4087 个采样仅分布在 2 个代码上面。

市场上有少数产品表现出更为紧密的噪声分布，但是这些产品拥有全对称、全差动输入信号，其要求具有一个复杂的输入结构。ADS8329/30 提供了简单的单端输入范围，因此能够使用成本更低的 CMOS 放大器，例如：OPA365。

良好的线性和噪声性能还体现在 ADS8329/30 的 AC 性能上（能实现高达 93dB 的 SNR）。这种差分非线性将影响 SNR，同时积分非线性会引起谐波。图 7 显示了一个 10kHz 输入频率和 4096 采样的 FFT，同时还证实具有低谐波失真。更高频率时，总谐波失真 (THD) 取决于非线性输入开关和内部电容器。

这些非线性组件将会使 THD 迅速降低。在图 8 中，这种变化得到了监控。但是，相比一些颇具竞争力的产品，该下降趋势不那么剧烈。在其内部，使用了一种非常特殊的开关结构，以便使这些非线性开关位于一个低阻抗工作点上。这就大大降低了开关的影响。