ST推出2.5V高速模数转换器（ADC）家族

深亚微米技术不仅广泛应用于数字信号处理器（DSP）和存储器等门控器件，而且还在新型体系结构的高速模数转换器应用上表现出色，使产品性能显著提高，功耗明显降低。ST正在开发一种采用纯CMOS 0.25微米技术、2.5V工作电压的高速模－数转换器（ADC）家族。ST的芯片上系统已嵌入模数转换器中，而且应用十分广泛，目前，ST只提供独立的模数转换器。这些产品可望不久将以家族形式出现在市场。虽然模数转换器应用前景看好，但是低功耗是发展的必要前提条件。

Laurence Berger

ST技术业务工程师

I．集成的传说

ST在模数转换器辛勤耕耘多年，拥有丰富的经验，产品核心嵌入多种芯片组，应用十分广泛。目前，ST不仅是业界*的独立数据转换器的主要制造商，而且，到2000年底，还将推出*个低功耗高速ADC家族。

本文提到的高速ADC家族的核心，已经在数字视频和数字无线电传输中投入使用。为了实现产品标准化，便于在各种应用中使用，该系统产品增加了I/O外设接口和数字功能。

ST是MPEG2视频译码器和机顶盒IC的主要供应商，产品种类齐全，在数字视频领域应用广泛。在美国，10位ADC核心在0.25微米的加工过程中，已经被集成到高性能的带返回信道的有线机顶盒的前端IC中，这款产品在欧洲叫做 STV0297。在消费应用对集成化水平提出更高要求的推动下，同一核心向 0.18微米技术的演进正在悄然兴起。有关ST的各种ADC产品定义如下：STV0399是一款数字卫星用的QPSK解调器，内嵌8位ADC核心；STV0395是一款有线机顶盒的前端 IC；STV0396是一个线缆调制解调器的解决方案，这两个器件中都集成了10位ADC核心。

数字无线传输是10位ADC被嵌入的另一个应用领域，一个被称作TDA7426的Eureka 147 DAB (数字音频广播)基带译码器是代表这一应用的*个产品。

另一个数字无线电译码器STA400，专门为美国标准S-频带卫星传输系统SDARS设计，集成了两个10位ADC，采样频率为23.92MHz，输入信号频率可选，地面调制信号：2.99MHz，或卫星调制信号：6.095MHz。

ST拥有丰富的芯片上系统的开发经验，高速ADC家族也自然地被赋予了更多的优势。

II.*个2.5V ADC 家族

在ST开发的高速/低功率数据转换器家族中，有三种产品可以在市场上见到，表1对这三个产品的各种特性，分别进行了说明。从表中不难看出，每个器件的有效位数和功耗都十分引人注意。规定的采样频率性能优异，同时，功耗也很低。特殊的体系结构和加工工艺是这些特性的基础。

这个产品家族是建立在的流水线式体系结构之上，是高速和低功耗比的*组合。有很多文章对这一技术进行了详细的报道，因此，本文只对与我们转换器相关部分进行简单地概括。转换器的体系结构由若干个转换级（取决于整体分辨率）组成，它负责把输入模拟信号依次转换成数字数据。每个转换器的*级都是由一个模数转换器、一个数模转换器、一个采样保持电路和一个增益单位为2的放大器组成。每级的总分辨率为1.5位。zui后一级只是一个比较器，每级输出端的zui后数据在被缓冲和施加到数字管脚之前，必须先按时间转换并进行数字纠错。

为了尽可能地简化应用电路板，转换器增加了数字功能。

zui高有效位的输出格式可通过DFSB命令进行选择，也可设置成直接二进制或者2的补码数制。

OEB命令可使输出缓冲器进入高阻抗模式，降低功耗，同时转换器还能继续处理数据。当同时驱动若干个ADC时，这个信号还可用作芯片选择。

可以设置一个输出特征位来表示一个超范围的测试，也就是说，所有数据或是0或是1，输出管脚“或”门呈现高状态。

zui后，使用一个数据状态信号完成同步。为便于测量，这个信号是一个以数据输出为中心的时钟信号的图像。

定时图描述了ST转换器的行为，如图1所示。

定时图描述了一个10位结构的处理过程。在时钟频率波形上升时，进行输入信号采样，在波形下降时，输出数字信号。采样后6.5时钟周期表示数据延迟。

当信号OEB 呈现高状态时，所有数据输出呈现高阻抗状态。但是转换器仍然继续采样。在开发这一家族时，我们牢记相干度和简易性，以应用升级容易为目标。该产品采用7.0mmX7.0mm 48 管脚小型TQFP48封装，整个家族成员，从8位一直到将来的14位，全部采用统一的封装形式。10位器件的引线布局，如图2所示。

整个家族产品从8位到达14位的封装管脚全部统一，基准电压输入端、信号输入端、时钟、电源电压和地线都位于相同的位置，对于数字输出管脚， MSB 仍保持在相同的位置，在第24号插片上。在低分辨率器件中，非连接性管脚被安排在LSB（zui低有效位）不使用的位置上。

至此，有关这个产品家族的结构全部介绍完了，下面，让我们了解一下它们的动态性能，

III．动态性能

这些转换器的优势来源于流水线式的体系结构与的0.25μm微米技术的*组合，产品不仅实现了zui高的动态性能，而且，还使功耗保持在zui低水平。

所有的转换器都存在着多种缺陷和非线性资源，这是由于器件所采用的结构和工艺引起的。在流水线式体系结构中，开环增益单位为2的放大器会影响整体线性，带宽还会限制系统的速度。开关电容器本身固有的kT/C噪音是zui大的噪声源。虽然存在着这些问题，但是，我们采用的结构和技术，依然提供了产品的*特性和zui低功耗水平。

下面是对TSA1002.的测试结果，静态测量结果通过直方图显示了非线性错误，图3和图4分别描绘了差分非线性和积分线性。测量采用0.2dB SFSR进行。

这两个曲线表明，在50Msps时，系统线性优良。在产品数据表中没有数据丢失。

有关动态响应，见图5：同一产品在SFSR=0.5dB时fft曲线图。

从这个曲线中可以看出，*个zui高谐波被抑制在-75dBc，这在SFDR中非常明显。

TSA1002的特性和采样频率对比，如图6所示。测量时输入频率为10MHz，描绘两个参数：寄生自由动态范围和信噪失真比。从图中我们不难看出，到达50Msps时，性能没有发生变化，继续保持平直，在70dB以上时，SFDR还保持在一个很出色的水平上，在很多应用中，这是人们zui关注的问题，它表示能够从噪声中提取低信号振幅的能力。SINAD也和ENOB有关 (SINAD= 6.02 x ENOB + 1.76)，当达到59dB时，SINAD保持在大约50Msps，即 ENOB 等于9.5位，非常接近理论值10 位，同时表现出良好的噪声基准。

特性与模拟频率对比，如图7所示。还是同一产品，采样频率为50MHz ，描绘的参数相同。

从这个曲线可以看出，规定的有效分辨率带宽是60MHz。也就是说，在钟频率为50MHz时，ADC能够对 60MHz以内的输入信号采样，而且不会失去任何线性。

zui后我们介绍一下ADC的温度特性。这一产品家族要插入多种应用技术中，因此，性能必须。应用结果证明，这一家族在高低温度环境中表现都十分，如图8所示。

偏压块设计*，可确保禁带基本上不随温度变化而发生偏离。

IV．结论

当我们介绍完这么好的动态性能后，可能会有人提出这样的问题：它的功耗是多少？从表1中我们很快找到答案，在50Msps时，10位ADC功耗仅为50mW，市场上没有一个同类产品能够达到如此低的功耗，在这一领域，ST是深亚微米技术的，着高性能设计的潮流。今天，应用技术要求功耗越来越低。许多采集系统都被封装在便携式器具中，对低功耗的要求更加迫切，不仅仅是10位和8位的ADC，还包括其它器件。在电信应用中，如：基站设备，在单一的机架内堆叠的收发器的数量越来越多，要求高分辨率ADC（12 或14位）必须降低电流消耗。针对这一需求，我们不久将把高速低功耗ADC家族扩展到12位和14位，性能和功耗达到市场上的水平。