14位125Msps模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS5500及其應(yīng)用

2004年7月A版

摘  要：本文介紹了ADS5500的性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)考慮，并對(duì)其在視頻信號(hào)處理方面的應(yīng)用作了簡(jiǎn)要說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換器；ADS5500；高頻采樣

概述

　　近年來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展和新理論、新算法的不斷涌現(xiàn)，加之?dāng)?shù)字信號(hào)處理器件性能的全面提高，使實(shí)際系統(tǒng)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求越來(lái)越高。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中，一般都要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器必須同時(shí)具備很高的采樣率和精度、很大的動(dòng)態(tài)范圍、極寬的頻率響應(yīng)范圍和靈活的數(shù)字接口。

　　ADS5500是TI公司開(kāi)發(fā)的一款14位分辨率、125MSPS采樣速率的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，芯片為64引腳TQFP PowerPAD封裝。為實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)集成度，其內(nèi)部還包括有寬帶寬的線性采樣/保持和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的完整轉(zhuǎn)換解決方案。100MHz時(shí)ADS5500的信噪比(SNR)為70dB，無(wú)失真動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)為82dB，差分輸入電壓為2.2Vpp，工作電壓為3.3V(單極性)，且功耗僅為750mW。內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并行CMOS兼容數(shù)據(jù)輸出接口確保了與普通邏輯電路的無(wú)縫連接，方便了與數(shù)字信號(hào)處理器的連接。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖示于圖1。

設(shè)計(jì)考慮

　　ADS5500是一款低功耗、采樣率為125MSPS的14位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器，僅需一個(gè)3.3V的單極性電源就可正常工作。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程啟動(dòng)于時(shí)鐘信號(hào)波形的上升沿，一旦模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)換器的采樣/保持部分捕獲后，輸入信號(hào)的采樣過(guò)程被依序分割為一系列的流水線操作，使時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿都能進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作。從輸入模擬信號(hào)到輸出14位的數(shù)據(jù)需要16個(gè)時(shí)鐘周期的延遲。圖2給出了ADS5500輸入、輸出信號(hào)和時(shí)鐘波形的對(duì)應(yīng)時(shí)序。

輸入配置

　　ADS5500的模擬輸入部分主要由一個(gè)差分跟蹤/保持放大器和開(kāi)關(guān)電容組成(圖3)。

　　差分輸入技術(shù)確保了高采樣率條件下的高性能，同時(shí)也帶來(lái)了非常高的可用輸入帶寬，這一點(diǎn)對(duì)于某些中頻采樣或欠采樣應(yīng)用尤為重要。

　　對(duì)于低頻輸入信號(hào)的輸入配置可以采用差分輸入/輸出放大器(如OPA695)，用來(lái)簡(jiǎn)化前端驅(qū)動(dòng)電路。這種配置的優(yōu)點(diǎn)在于其具有較大的靈活性，放大器可用來(lái)完成模擬輸入信號(hào)的極性轉(zhuǎn)換(單極性~差分)、信號(hào)放大及ADC的前端預(yù)濾波等工作。

基準(zhǔn)源電路

　　ADS5500的內(nèi)基準(zhǔn)電壓源簡(jiǎn)化了電路板的電路布局，對(duì)此，板上可不用其它附加電路。但從優(yōu)化性能的角度考慮，可在REFP和REFM引腳上各連接1個(gè)1mF的電容器并接地。此外，為更好設(shè)置芯片的工作電流，還應(yīng)在IREF引腳上連接1個(gè)47Ω的電阻，并與AGND引腳相連(圖4)。

時(shí)鐘輸入信號(hào)

　　芯片的時(shí)鐘輸入信號(hào)可以是單極性或差分信號(hào)，普通模式下，時(shí)鐘輸入信號(hào)的電壓幅值設(shè)置為1.5V，CLKP引腳、CLKM引腳各通過(guò)5kΩ電阻與CM引腳相連(圖5)。

　　從實(shí)用角度考慮，選用低抖動(dòng)時(shí)鐘源并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的帶通濾波可大大提高高頻采樣系統(tǒng)性能。芯片內(nèi)部的ADC內(nèi)核在時(shí)鐘信號(hào)波形的上升沿和下降沿都能進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步提高了芯片的工作效率。當(dāng)無(wú)時(shí)鐘源或時(shí)鐘頻率低于10MSPS時(shí)，芯片將自動(dòng)切換至休眠模式。

輸出選項(xiàng)

　　芯片產(chǎn)生14位的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)(D13-D0)，1個(gè)數(shù)據(jù)就緒信號(hào)(CLKOUT引腳)和1個(gè)數(shù)據(jù)溢出指示位(OVR引腳，當(dāng)輸出數(shù)據(jù)幅值超過(guò)最大值時(shí)，該位被置為1)。

　　通過(guò)改變DFS引腳電平可設(shè)置輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)格式和時(shí)鐘輸出信號(hào)的極性。輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)格式有直接二進(jìn)制碼和二進(jìn)制補(bǔ)碼兩種形式，而時(shí)鐘極性則表現(xiàn)為輸出數(shù)據(jù)在時(shí)鐘波形上升沿或下降沿有效。DFS引腳電平有四種選擇范圍，因而就有四種對(duì)應(yīng)關(guān)系。表1給出了這四種模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

應(yīng)用舉例

　　圖6是一個(gè)實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)，CCD傳感器把原始圖像(模擬信號(hào))送至ADS5500高頻采樣，得到高精度的數(shù)字圖像信號(hào)，再通過(guò)高速同步FIFO送入到圖像處理單元，由數(shù)字信號(hào)處理器完成圖像的處理和壓縮，并將處理后的數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器或CRT顯示器上。

結(jié)語(yǔ)

　　ADS5500接口簡(jiǎn)單，使用方便、靈活，14位采樣精度，同時(shí)又有很高的轉(zhuǎn)換速度。在大多數(shù)需要高速數(shù)據(jù)采集和高精度測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合中，該芯片具有很強(qiáng)的實(shí)用性。■

參考文獻(xiàn)：

1．Texas Instruments. ADS5500：14-Bit,125-MSPS Analog-to-Digital Converter.2003:8~12.

2．Texas Instruments. Video and Imaging Solutions Guide. 2002:4~8.