在電子工程師的設(shè)計工作中，A/D轉(zhuǎn)換器是至關(guān)重要的組件，它能將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，為后續(xù)的數(shù)字處理提供基礎(chǔ)。今天，我們就來詳細(xì)探討TI公司的ADC12C170這款高性能12位、170 MSPS、1.1 GHz帶寬的A/D轉(zhuǎn)換器。

文件下載：adc12c170.pdf

一、ADC12C170概述

ADC12C170采用CMOS工藝制造，能夠以高達(dá)170 MSPS的速率將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字字。它采用差分流水線架構(gòu)，結(jié)合數(shù)字誤差校正和片上采樣保持電路，在降低功耗和外部組件數(shù)量的同時，提供了出色的動態(tài)性能。其獨特的采樣保持級實現(xiàn)了1.1 GHz的全功率帶寬，這使得它在高頻信號處理方面表現(xiàn)卓越。

（一）主要特性

1. 高帶寬與低功耗：1.1 GHz全功率帶寬，在170 MSPS時僅消耗715 mW功率，同時具備內(nèi)部精密1.0V參考，減少了外部參考電路的設(shè)計。
2. 靈活的時鐘與輸出格式：支持單端或差分時鐘模式，時鐘占空比穩(wěn)定器可在寬范圍的輸入時鐘占空比下保持性能。輸出數(shù)據(jù)格式可選擇偏移二進(jìn)制或2的補碼，并且與ADC14155、ADC11C125、ADC11C170引腳兼容，方便工程師進(jìn)行設(shè)計升級和替換。
3. 多種工作模式：具備掉電和睡眠模式，掉電模式下功耗可降至5 mW，睡眠模式下功耗為50 mW，且都能實現(xiàn)快速喚醒，滿足不同應(yīng)用場景下的節(jié)能需求。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

ADC12C170適用于多種應(yīng)用場景，如高IF采樣接收器、無線基站接收器、功率放大器線性化、多載波多模式接收器、測試測量設(shè)備、通信儀器和雷達(dá)系統(tǒng)等。這些應(yīng)用對信號處理的速度和精度要求較高，ADC12C170的高性能特性能夠很好地滿足這些需求。

二、關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

（一）靜態(tài)參數(shù)

• 分辨率：無缺失碼的分辨率為12位，確保了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性。
• 線性度：積分非線性（INL）在全量程輸入時最大為±0.85 LSB，差分非線性（DNL）最大為±0.54 LSB，保證了轉(zhuǎn)換的線性度。
• 增益誤差與偏移誤差：正增益誤差（PGE）和負(fù)增益誤差（NGE）在規(guī)定范圍內(nèi)，偏移誤差（VOFF）也較小，并且增益誤差和偏移誤差的溫度系數(shù)都很低，確保了在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性。

（二）動態(tài)參數(shù)

• 信噪比（SNR）：在$f_{IN}=70 MHz$時，典型值為67.2 dBFS，能夠有效抑制噪聲，提高信號質(zhì)量。
• 無雜散動態(tài)范圍（SFDR）：在$f_{IN}=70 MHz$時，典型值為85.4 dBFS，減少了雜散信號的干擾。
• 有效位數(shù)（ENOB）：在$f_{IN}=70 MHz$時，典型值為10.8位，反映了轉(zhuǎn)換器的實際性能。

三、引腳說明與等效電路

（一）模擬輸入輸出引腳

• VIN+和VIN -：差分模擬輸入引腳，差分滿量程輸入信號電平為參考電壓的兩倍，每個輸入引腳信號以共模電壓VCM為中心。
• VRP、VRN和VRM：這些引腳用于參考電壓相關(guān)操作，VRP和VRN應(yīng)通過低ESL的0.1 μF電容旁路到AGND，VRM可提供差分模擬輸入的共模電壓VCM。
• VREF：可作為+1.0V內(nèi)部參考電壓輸出或外部參考電壓輸入，使用內(nèi)部參考時需用0.1 μF低ESL電容去耦。

（二）數(shù)字輸入輸出引腳

• DO - D11：構(gòu)成12位轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出引腳，輸出電平與CMOS兼容。
• OVR：過范圍指示輸出，當(dāng)輸入幅度超過12位轉(zhuǎn)換范圍時置高。
• DRDY：數(shù)據(jù)就緒選通信號，用于時鐘輸出數(shù)據(jù)，其上升沿應(yīng)用于捕獲輸出數(shù)據(jù)。

（三）電源引腳

• VA：正模擬電源引腳，應(yīng)連接到安靜的+3.3V源，并通過0.01 uF和0.1 uF電容旁路到AGND。
• VD：正數(shù)字電源引腳，連接到+3.3V源并旁路到DGND。
• VDR：輸出驅(qū)動器的正電源引腳，連接到+1.8V源并旁路到DRGND。

四、工作原理與功能描述

（一）轉(zhuǎn)換過程

ADC12C170在雙+3.3V和+1.8V電源下工作，通過差分流水線架構(gòu)和誤差校正電路將差分模擬輸入信號數(shù)字化為12位。模擬輸入在時鐘下降沿采集，經(jīng)過7個時鐘周期的流水線延遲后，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在DRDY信號下降沿輸出。

（二）時鐘與數(shù)據(jù)格式選擇

CLK_SEL/DF引腳允許用戶選擇單端或差分時鐘輸入以及偏移二進(jìn)制或2的補碼輸出數(shù)據(jù)格式。時鐘頻率范圍為5 MHz至170 MHz，典型性能在170 MSPS時完全指定。

（三）電源管理

通過PD/Sleep引腳可選擇掉電和睡眠模式。掉電模式下，除電壓參考電路外的所有電路均被禁用，功耗降至5 mW；睡眠模式下，除電壓參考電路和其伴隨的片上緩沖器外的部分電路被禁用，功耗降至50 mW。正常操作時，PD/Sleep引腳應(yīng)連接到模擬地（AGND）。

五、設(shè)計注意事項

（一）模擬輸入設(shè)計

• 信號輸入：差分模擬輸入引腳應(yīng)驅(qū)動源阻抗小于100Ω的信號，匹配差分輸入的源阻抗可改善偶次諧波性能。輸入信號的相對相位誤差會影響轉(zhuǎn)換性能，對于單頻正弦波，可用公式$E_{FS}=4096\left(1 - sin \left(90^{\circ}+ dev\right)\right)$描述全量程誤差。
• 驅(qū)動電路：ADC12C170的模擬輸入有內(nèi)部采樣保持電路，時鐘高電平時為采樣階段，低電平時為保持階段。為減少采樣保持充電毛刺的影響，可使用外部電阻和電容網(wǎng)絡(luò)隔離毛刺并過濾寬帶噪聲。
• 共模電壓：輸入共模電壓VCM應(yīng)在1.4V至1.6V范圍內(nèi)，推薦使用VRM（引腳45）作為輸入共模電壓。

（二）參考引腳設(shè)計

ADC12C170可使用內(nèi)部1.0V參考或外部0.9V至1.1V參考。VREF引腳應(yīng)始終通過0.1 μF電容旁路到地，較低的參考電壓會降低信噪比，過高的參考電壓可能會降低總諧波失真。所有與參考電壓和模擬輸入信號相關(guān)的接地應(yīng)在單點安靜處連接到接地平面，以減少接地路徑中的噪聲電流影響。

（三）時鐘輸入設(shè)計

• 時鐘模式：CLK_SEL/DF引腳可配置為單端或差分時鐘模式，差分時鐘模式下兩個時鐘信號應(yīng)相位相反且幅度相同。
• 時鐘性能：時鐘信號的占空比會影響A/D轉(zhuǎn)換器的性能，ADC12C170的占空比穩(wěn)定器可在30%至70%的時鐘占空比范圍內(nèi)保持性能。為獲得最佳動態(tài)性能，時鐘源應(yīng)具有尖銳的過渡區(qū)域且無抖動，可使用緩沖器隔離時鐘與數(shù)字電路。

（四）數(shù)字輸出設(shè)計

數(shù)字輸出為1.8V CMOS信號，包括D0 - D11、DRDY、OVR和OGND。數(shù)據(jù)應(yīng)在DRDY信號上升沿捕獲和鎖存。驅(qū)動高電容總線時需注意，過大的輸出電容會導(dǎo)致動態(tài)性能下降，可通過適當(dāng)?shù)呐月?、限制輸出電容和注意接地平面來減少問題。為減少輸出開關(guān)噪聲，可使用可編程邏輯器件（PLD）進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并在數(shù)字輸出端插入約22Ω的串聯(lián)電阻。

（五）電源與布局設(shè)計

• 電源：電源引腳應(yīng)通過0.1 μF和0.01 μF陶瓷芯片電容旁路，模擬電源引腳的噪聲應(yīng)保持在100 mVP - P以下。VDR引腳可在1.6V至2.0V范圍內(nèi)供電，降低電源電壓會增加tOD，可能需要電平轉(zhuǎn)換器與非1.8V CMOS設(shè)備接口。
• 布局與接地：正確的接地和信號布線對于確保準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。應(yīng)將模擬和數(shù)字區(qū)域分開，ADC12C170置于兩者之間。避免模擬和數(shù)字線路交叉，尤其是時鐘線路應(yīng)盡可能短且與其他線路隔離。電感和變壓器的布局應(yīng)避免磁耦合，模擬輸入應(yīng)與噪聲信號跡線隔離。

六、總結(jié)

ADC12C170是一款性能卓越的12位A/D轉(zhuǎn)換器，具有高帶寬、低功耗、靈活的時鐘和輸出格式等優(yōu)點。在實際設(shè)計中，如果能充分理解其工作原理和特性，并注意各個引腳的使用和布局布線等方面的問題，將有助于發(fā)揮其最佳性能，滿足各種應(yīng)用場景的需求。希望通過本文的介紹，能為電子工程師在使用ADC12C170進(jìn)行設(shè)計時提供有益的參考。大家在實際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。