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[经验] ADS774系列的微处理器兼容采样cmos模数转换器

2020-7-21 16:22:36  325 CMOS 微处理器
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  特征
  取代ADC574、ADC674和ADC774;用于新设计;完整的采样A/D;基准、时钟和;微处理器接口;快速采集和转换:最高温度8.5微秒;消除外部采样/保持;在大多数应用中;保证交流和直流性能;单电源+5V运行;低功率:最大120MW;包装选项:0.6”和0.3”浸渍,SOIC。
  说明
  ADS74是一个12位逐次逼近。采用创新的模数转换器电容器阵列(cdac)的低功耗实现CMOS技术。这是替换在大多数情况下,ADC574、ADC674和ADC774型号应用程序,内部采样,功耗更低消耗,以及从一个+5V电源。
  ADS774配有内部时钟、微处理器接口、三态输出和内部输入范围为0V至+10V、0V至+20V,±5V,±10V。最大吞吐时间在整个工作温度范围内为8.5微秒,包括采集和转换。用户对内部采样功能的完全控制有助于消除外部采样/保持大多数现有设计中的放大器。ADS774要求+5V,可选-15V不+需要15V电源可用的软件包包括0.3“或0.6”宽28针塑料浸渍和28针SOICs。
  
  
  典型性能曲线
  在Ta=+25°C时,VDD=Vee=+5V;双极性±10V输入范围;采样频率110kHz;除非另有规定。所有曲线图使用4096点FFT。
  
  操作理论
  在ADS774中,先进的CMOS技术的优点高逻辑密度、稳定的电容、精确的模拟开关和Burr Brown最先进的激光微调技术相结合,产生具有内部采样/保持的快速、低功耗模数转换器。
  电荷再分配逐次逼近电路将模拟输入电压转换成数字字。
  图1显示了一个只有3位的电荷再分配A/D转换器的简单例子。
  将s1锁定在“r”或“g”位置。类似地,第二近似是通过将S2连接到参考和S3到GND,并根据比较器的输出锁存S2。在三次逐次逼近步骤之后,比较器的电压电平将在GND的1/2LSB以内,并且可以从S1、S2和S3的位置确定表示模拟输入的数字字。
  操作
  
  输入缩放
  输入端的精密激光微调定标电阻器将标准输入范围(0V至+10V、0V至+20V、±5V或±10V)划分为与内部电容器阵列的CMOS特性兼容的电平。
  抽样
  采样时,msb电容器(s1)的电容器阵列开关处于“s”位置,使得msb电容器上的电荷与模拟输入信号的电压水平成比例。其余的阵列开关(s2和s3)被设置为位置“g”。开关S关闭,将比较器输入偏移量设置为零。
  转换
  当接收到转换命令时,开关S1被打开以捕捉与采样命令时的模拟输入电平成比例的MSB电容器上的电荷,开关S被打开以使比较器输入浮动现在,通过将开关s1、s2和s3连接到位置“r”(连接到参考)或“g”(连接到GND),电容器阵列中捕获的电荷可以在阵列中的三个电容器之间移动,从而改变比较器输入处产生的电压。
  在第一近似期间,MSB电容通过开关S1连接到参考,而开关S2和S3连接到GND。根据比较器输出是高还是低,逻辑将基本操作图2显示了在控制模式下(在后面的章节中详细讨论)在基本的±10V范围内操作ADS774所需的最小连接。转换命令的下降沿(至少25ns的低脉冲5针)将ADS774输入切换到保持状态并启动转换。引脚28(状态)将在转换期间输出高电平,并且仅在转换完成且数据已锁定在数据输出引脚(引脚16至27)上后下降。因此,引脚28上的状态下降沿可用于从转换读取数据。此外,在转换过程中,状态信号将数据输出引脚置于高Z状态并抑制输入线这意味着管脚5上的脉冲被忽略,因此在转换过程中不能启动新的转换,无论是由于杂散信号还是为了缩短ADS774的周期。
  ADS774将在转换完成后(甚至在状态输出下降之前)开始获取新样本,并跟踪输入信号,直到下一次转换开始。ADS774的设计目的是在整个工作温度范围内以8.5微秒的最大值完成转换并准确地获取新信号,这样转换可以在完整的117KHz下进行。
  控制ADS774
  Burr Brown ADS774可以很容易地连接到大多数微处理器系统和其他数字系统。微处理器可以对每个转换进行完全控制,或者转换器可以在独立模式下运行,受控只有通过R/C输入。完全控制包括选择一个8位或12位转换周期,启动转换,并在准备就绪时读取输出数据,一次选择12位,或选择8个MSB位后接4个LSB位左对齐格式。五个控制输入(12/8,CS,A0,R/C和CE)都与TTL/CMOS兼容。控制输入的功能如表二所示。
  独立操作
  对于独立运行,变流器的控制-由一根连接到R/C的控制线连接。在这种模式下,CS和A0连接到数字公共线,CE和12/8连接到+5V。输出数据如图2所示基本±10V操作。
  呈现为12位字。独立模式用于包含不需要完全总线接口功能的专用输入端口的系统。
  转换由R/C从高到低的转换启动。当R/C为高和状态为低时,三态数据输出缓冲区启用。因此,有两种可能的操作模式;数据可以通过R/C上的正脉冲或负脉冲状态读取在这两种情况下,R/C脉冲必须保持在低电平至少25ns。
  图3显示了在转换过程中R/C脉冲变低并返回高的定时在这种情况下,三态输出进入高阻抗状态对R/C下降沿的响应,并在转换完成后启用数据的外部访问。
  图4显示了使用正R/C脉冲时的计时在此模式下,来自上一个转换器的输出数据-在R/C较高时启用SION。一个新的在R/C下降沿开始转换,三态输出返回高阻抗状态,直到下一次出现高R/C脉冲。
  
  全控操作转换长度
  转换长度(8位或12位)由A0输入的状态确定,A0输入在接收到转换开始转换时被锁定(如下所述)如果A0被锁存在高位,则转换继续8位如果A0低,将发生完全12位转换如果在8位转换后读取所有12位,则4LSB(DB0-DB3)将为低(逻辑0)。a0被锁存,因为它还参与启用输出缓冲区。没有其他控制输入被锁定。
  转换开始
  转换器基于转换启动转换在三个逻辑输入(CE、CS和R/C)中的任何一个上发生,如表III所示。转换由三个逻辑输入中的最后一个启动,以达到所需状态,因此所有三个逻辑输入都可以动态控制。如有必要,这三者可以同时改变状态,并且不管哪个输入实际开始转换,标称延迟时间都是相同的。如果需要一个特定的输入建立转换的实际开始,那么在临界输入转换之前,另外两个输入应至少稳定50ns开始转换定时的定时关系如图5所示。
  状态输出通过仅在转换期间处于高状态来指示转换器的当前状态在此期间,三态输出缓冲器保持在高阻抗状态,因此在转换期间无法读取数据在此期间,控制转换的三个数字输入的附加转换将被忽略,因此转换不能过早终止或重新启动但是,如果a0在转换开始后改变状态,则任何额外的开始转换转换将锁定a0的新状态,可能导致该转换的转换长度不正确(8比特对12比特)。
  读取输出数据
  转换启动后,输出数据缓冲区保持在高阻抗状态,直到以下四个逻辑同时满足条件:R/C高,状态低、CE高和CS低。在满足这些条件后,根据输入12/8和a0。
  在大多数应用中,12/8输入将在高或低条件下硬接线,尽管它完全兼容ttl和cmos,并且如果de-陛下当12/8为高时,所有12条输出线(DB0-DB11)同时启用,以便向12位或16位总线传输完整的数据字在这种情况下,读取数据时忽略a0状态。
  当12/8较低时,数据以两个8位字节的形式呈现,在读取周期中通过A0状态完成感兴趣字节的选择当a0低时,字节地址包含8msb。当a0为高时,字节寻址包含来自转换的4lsb,后跟由控制逻辑强制的四个逻辑零。两个8位字节的左对齐格式如图7所示。ADS774与8位总线的连接用于数据传输,如图8所示ADS774的设计保证了在不损坏转换器的情况下,可以随时切换a0输入;图8中捆绑在一起的输出不能同时启用。a0输入通常由地址总线的最低有效位驱动,允许在两个连续的存储器位置存储输出数据字。
  
  
  
  S/H控制模式和ADC774仿真模式
  仿真模式允许ADS74被丢弃到大多数现有的ADC77 4套接字中,而不需要改变其他系统硬件或软件。在现有的套接字中,模拟输入在转换期间保持稳定,以便可以进行精确的转换,但是输入可以在转换开始之前的任何时间迅速改变。仿真模式在转换期间使用模拟输入的稳定性,以最大的8 s(8.5μs以上的温度)获取和转换。事实上,系统的吞吐量可以增加,因为到ADS74的输入可以在转换结束之前(在获取时间之后)开始旋转,这是不可能的现有ADC77S。
  提供的控制模式允许充分使用内部采样/保持,在大多数应用中不需要外部采样/保持。与使用单独采样/保持和A/D的系统相比,处于控制模式的ADS774还不需要控制信号之一,通常是转换命令。将内部采样/保持置于保持状态的命令也会启动转换,从而减少许多系统中的时间限制。
  这两种模式的基本区别在于对输入信号在转换之前和转换期间的状态的假设。这些差异如图9和表VI所示。在控制模式下,假设在所需的1.4微秒采集时间内,信号的变化速度不会超过ADS774的跟踪速度。在convert命令到达之后,没有对输入电平进行假设,因为输入信号被采样并且convert命令之后立即开始转换这意味着转换命令还可用于切换输入多路复用器或改变可编程增益放大器上的增益,从而允许输入信号在转换结束时的下一次采集之前稳定下来。由于光圈抖动在控制模式下最小化,因此可以在没有外部采样/保持的情况下转换高输入频率。
  在仿真模式下,在转换命令和转换开始之间引入一个延迟时间,使ADS774在转换之前有足够的时间获取输入信号这将有效孔径延迟时间从0.02微秒增加到1.6微秒,但允许ADS774在大多数电路中替换ADC774,而无需额外更改在ads774的输入在转换命令之前的200ns内快速变化的设计中,可以通过将转换命令延迟200ns来提高系统性能。
  当使用仿真模式中的ADS74代替现有设计中的现有转换器时,采样/保持放大器通常在转换器之前。在这些情况下,convert命令不需要额外的延迟在转换前,从采样模式到保持模式时,现有的采样/保持不会过度旋转。
  在这两种模式下,一旦转换完成,内部采样/保持电路立即开始旋转以跟踪输入信号。
  安装
  布置注意事项
  模拟(插脚9)和数字(插脚15)公共端在ADS774内部不连接在一起,但应尽可能靠近单元和电路板组件侧转换器下方的模拟公共接地平面连接在一起。此外,宽导线模式应直接从引脚9到模拟电源公共线,以及从引脚15到数字电源公共线的单独宽导线模式。
  如果不能在转换器处直接建立单点系统公共线,则在转换器处,针脚9和针脚15仍应连接在一起然后,一个单宽导体模式将这两个管脚连接到系统公用线。在这两种情况下,模拟输入信号的公共返回应参考ADC的引脚9。这可以防止电源公共回路中可能出现的任何电压降与输入信号串联出现。
  ADS774的速度要求特别注意任何未使用的输入引脚对于10V输入范围,插脚14(20V范围)必须断开,对于20V输入范围,插脚13(10V范围)必须断开。在这两种情况下,未连接的输入应与接地板屏蔽,以减少噪声拾取。
  特别是,未使用的输入引脚不应连接到任何电容性负载,包括高阻抗开关。即使未使用的管脚上有少量pF,也会降低采集时间。
  模拟输入线和数字线之间的合应通过仔细的布局最小化。例如,如果线必须相交,它们应该以直角相交。平行模拟线和数字线应通过连接到公共线的模式彼此分离。
  如果使用外部满标度和偏移电位计,电位计和相关电阻器应尽可能靠近ADS774。
  
  在ADS774上,+5V(至引脚1)是正确操作所需的唯一电源。引脚7没有内部连接,因此在现有的ADC77 4插座中没有问题,这里连接到+15V。引脚11(VEE)仅用作逻辑输入,以选择如上所述的采样功能的控制模式。当在现有的ADC74插座中使用时,引脚11上的-15V选择ADC74仿真模式。由于引脚11用作逻辑输入,它对典型的电源变化免疫。
  
  +5V电源应通过靠近转换器的10μF钽电容器进行旁路,以促进噪声干扰操作,如图2所示。电源线上的噪音会降低转换器的性能。开关电源的噪声和尖峰特别麻烦。
  范围连接
  ADS774提供四个标准输入范围:0V至+10V、0V至+20V、±5V或±10V。图10和图11显示了每个范围的必要连接,以及可选的增益和偏移微调电路。如果需要10V输入范围,模拟输入信号应连接到转换器的引脚13。需要20V电压范围的信号连接到引脚14在这两种情况下,另一个管脚都没有连接。针12(双极偏移)连接到针9(模拟公共)单极操作,或针8(2.5V参考输出),或外部参考,双极操作满刻度和偏移调整如下所述。
  ADS774的输入阻抗在20V范围内通常为50kΩ,在10V范围内通常为12kΩ这明显高于传统的ADC774体系结构,减少了大多数应用程序中输入源的负载。
  输入结构
  图12显示了ADS774的电阻分压器输入结构由于在采集期间输入驱动CDAC中的电容器,因此与传统的ADC774架构相比,输入正在寻找高阻抗节点,其中电阻分压器网络在虚拟接地处寻找比较器输入节点。
  要了解此电路的工作原理,必须知道内部采样电容器的输入范围为0V到+3.33V,并且必须将ADS774的模拟输入转换为此范围。单极性20V范围可用作除法器网络如何工作的示例。在20V操作中,模拟输入进入引脚14。插脚13未连接,插脚12连接到模拟公共线插脚9从图12可以清楚地看出,电容器阵列的输入将是引脚14上的模拟输入电压除以电阻网络(42kΩ+42kΩ10.5kΩ)。插脚14处的20V输入在电容器阵列处被分为3.33V,而插脚14处的0V输入在电容器阵列处为0V。
  10kΩ内部电阻器对引脚12的主要影响是在不改变外部微调值的情况下提供与传统ADC774结构相同的偏移调整响应。
  单电源操作
  ADS774设计为在一个+5V电源下工作,并处理所有单极和双极输入范围,无论是控制模式还是仿真模式,如上所述引脚7未在内部连接。这是其中,+12V或+15V由传统的ADC774S提供。引脚11是传统ADC774S上的-12V或-15V电源输入,仅用作ADS774上的逻辑输入。引脚11内部有一个电阻分压器,用于将该输入降低到ADS774内的正确逻辑电平,当引脚11上提供-15V电压时,该电阻将使ADS774的功耗增加10MW至15MW。为了最小化系统的功耗,插脚11可以简单地接地(对于仿真模式)或绑定到+5V(对于控制模式)ADS774不需要其他修改就可以在单+5V电源下工作。
  
  校准
  可选的外部满标度和偏移调整
  对于单极和双极操作,可以使用连接到ADS774的外部偏置和满标度微调电位器将偏置和满标度误差微调为零,如图10和11所示。
  校准程序-单极范围
  如果不需要满标度和偏移量的外部调整,则用50Ω1%金属薄膜电阻器更换图10中的R2,并将针脚12连接到针脚9,省去其他调整部件。
  如果需要调整,如图10所示连接转换器通过端点转换电压(0V+1/2LSB;10V范围为+1.22mV,20V范围为+2.44mV)扫描输入,导致输出代码为DB0开(高)调整电位器R1,直到DB0在所有其他位关闭的情况下交替地打开和关闭然后,通过施加标称满标度负3/2lsb的输入电压来调整满标度,该电压值应使所有位都接通。对于10V范围,该值为+9.9963V;对于20V范围,该值为+19.9927V。调整电位器r2,直到位db1db11接通,db0接通和断开。
  双极量程校准程序
  如果不需要对满标度和双极偏置进行外部调整,则将图11中的电位器更换为50Ω,1%的金属薄膜电阻器。
  如果需要调整,如图11所示连接转换器校准程序与上述单极操作的步骤类似,只是在输入电压高于负满标度值1/2LSB的情况下进行偏移调整(–4.9988V用于±5V范围,–9.9976V用于±10V范围)。调整r1使db0在所有其他位关闭的情况下打开和关闭。要调整满标度,应用低于标称加满标度值3/2LSB的直流输入信号(对于±5V范围为+4.9963V,对于±10V范围为+9.9927V),并调整DB0的R2以在所有其他位打开的情况下打开和关闭。

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