高速A/D转换器TLC5540及其应用

1 概述

    TLC5540是美国德州仪器公司推出的高速8位A/D转换器。它的最高转换速率可达每秒40兆字节。TLC5540采用了一种改进的半闪结构及CMOS工艺,因而大大减少了器件中比较器的数量,而且在高速转换的同时能够保持低功耗。在推荐工作条件下,其功耗仅为75mW。由于TLC5540具有高达75MHz的模拟输入带宽以及内置的采样保持电路,因此非常适合在欠采样的情况下应用。另外,TLC5540内部还配备有标准的分压电阻,可以从+5V的电源获得2V满刻度的参考电压,并且可保证温度的稳定性。TLC5540可广泛应用于数字电视、医学图象、视频会议、CCD扫描仪、高速数据变换及QAM调制器等应用方面。

2 引脚功能

    TLC5540采用NS型塑料帖片封装，其引脚排列如图1所示。其引脚功能如下：

AGND（20，21）：模拟信号地线；

ANALOG IN（19）：模拟信号输入端；

CLK（12）：时钟输入端；

DGND（2，24）：数字信号地线；

D1～D8（3～10）：数据输出端。D1为低位，D8为高位；

OE（1）：输出使能端。当OE为低时，D1～D8数据有效，当OE为高时，D1～D8为高阻抗；

VDDA（14，15，18）：模拟电路工作电源；

VDDD（11，13）：数字电路工作电源；

REFTS（16）：参考电压引出端之一；

REFT（17）：参考电压引出端之二；

REFB（23）：参考电压引出端之三；

REFBS（22）：参考电压引出端之四。

3 内部结构与运行时序

    TLC5540的内部结构见图2所示。它包含有时钟发生器，内部参考电压分压器，1套高4位采样比较器、编码器、锁存器，2套低4位采样比较器、编码器和一个低4位锁存器。

    TLC5540 的外部时钟信号CLK通过其内部的时钟发生器产生3路内部时钟，用于驱动3组斩波稳零结构的采样比较器。参考电压分压器则为这3组比较器提供参考电压。其中低位比较器的参考电压是高位比较器的1/16。采用输出信号的高4位由高4位编码器直接提供，低4位的采样数据则由两个低4位的编码器交替提供。其中低 4位比较器是对输入信号的“残余”部分进行变换的（时间为高4位的两倍），因此与标准的半闪结构相比，这种变换方式可减少30%的采样比较器，并且具有的采样率。

    TLC5540的运行时序见图3。时钟信号CLK在每一个下降沿采集模拟输入信号，第N次采集的数据经过3个时钟周期的延迟之后，送到内部数据总线上。此时如果输出使能OE有效，则数据可由CPU读取或进入缓冲存贮器。其中，时钟的高、低电平持续时间tW(H)、tw(L)最小为12.5ns，时钟周期是了小为25ns，因此最高采样速率为40MSPS。图中tpd为数据输出延迟时间，典型值为9ns，最大为15ns；tPHZ、tPLZ为数据输出端有效至高阻的延迟时间，最大为20ns；tPZH、tPZL为数据输出端从高阻转为有效的延迟时间，最大为15ns。

4 参考电压配置

   TLC5540 可使用外部和内部两种参考电压。其参考电压配置见图4所示。外部参考电压从REFT和REFB接入，并应满足VREFB+1.8V≤VREF≤VDDA， 0≤VREFB≤VREFB-1.8V和1.8V≤VREFT-VREFB≤5V。模拟输入电压范围为VREFB≤VREFT。对于从零电平开始的正极性模拟输入电压，REFB应接模拟地AGND。VREFT范围为1.8V～5V。如使用外部参考电压，则可获得较高的精度和较小的噪声。

    如果要简化电路，可利用TLC5540的内部分压电阻从模拟电源电压VDDA取得参考电压。内部电压R1、Rref和R2的标称值分别为320Ω、270Ω和80Ω。图4（a）的配置适用于模拟输入电压范围+0.61V～+2.6V的情况，图4(b)的输入电压范围为0～+2.28V。由于R1的下端连接外部滤波电容，故R1也兼作滤波电阻。若将图4（b）中的R1短接，则输入电压范围0～+5V。

5 应用

    为了保证TLC5540的工作性能，系统电源应采用线性稳压电源而不是开关电源。VDDA和VDDD应就近与AGND和DGND连接一个0.1μF的高频陶磁滤波电容。图5为其典型的云耦连接配置图。其中FB1～FB3为高频磁珠，模拟供电电源AVDD经FB1～FB3为三部分模拟电路提供工作电流，以获得更好的高频去耦效果。

    TLC5540 的一种应用参考电路见图6。该电路分为两个工作状态：采样状态和读出状态。当主控CPU发出启动命令后，RS触发器U8的Q=0，电路进入采样工作状态。当TLC5540的OE=0时，数据开放。同时，时钟信号CLK通过U4和U7分别控制存贮器U6的读写控制端WE和片选端CS，并将采样数据写入存贮器 U6的内部单元。地址计数器U5为多级可预置同步加法计数器，时钟CLK通过多路开关驱动U5，在采样数据稳定后提供新的存贮地址。在整个采样状态下， CPU不干预电路的工作，直至地址计数器计数溢出，高位输出信号Q13使RS触发器U8翻转，Q=1，电路进入读出状态。之后，TLC5540的OE= 1，输出数据被封锁。同时，存贮器U6的OE=0，采样数据可从内部读出。U6的读出地址仍由地址计数器U5提供，可以顺序读出或随机读出。顺序读出时，由多路开关U1的输入信号G控制，G的每一个跳变使地址增加1。随机读出时，由CPU地址总线提供的地址数据A0～A12置入地址计数器U5，在G的一次跳变后，有效地址即出现在U5的输出端Q0～Q12上。存贮器数据总线出现相应地址内的采样数据，以供CPU读取。

    由于采样状态下的时钟频率可能高达40MHz，故存贮器U6、地址计数器U5以及其它部件均应具有相应的速度和尽可能小的信号延迟，以使各部件的协同工作满足TLC5540及存贮器的时序要求。该电路采用标准引脚的RAM芯片，还可采用双端口RAM或FIFO存贮器，它们均有较高的运行速度，并可简化电路设计。

6 小结

    由于TLC5540采用了改进的半闪结构，因而具有高速率、低功耗和低价格的特点。可应用在数字电视、医学图像、视频会议、CCD扫描仪、高速数据变换及QAN调制等应用方面。