基于CMOS工藝的高阻抗并行A/D芯片TLC5510

1　概述

TLC5510是美國TI公司生產的新型模數轉換器件(ADC)，它是一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片，能提供的最小采樣率為20MSPS。由于TLC5510采用了半閃速結構及CMOS工藝，因而大大減少了器件中比較器的數量，而且在高速轉換的同時能夠保持較低的功耗。在推薦工作條件下，TLC5510的功耗僅為130mW。由于TLC5510不僅具有高速的A/D轉換功能，而且還帶有內部采樣保持電路，從而大大簡化了外圍電路的設計;同時，由于其內部帶有了標準分壓電阻，因而可以從+5V的電源獲得2V滿刻度的基準電壓。TLC5510可應用于數字TV、醫學圖像、視頻會議、高速數據轉換以及QAM解調器等方面。

2　內部結構、引腳說明及工作原理

2.1 TLC5510的引腳說明

TLC5510為24引腳、PSOP表貼封裝形式(NS)。其引腳排列如圖1所示。各引腳功能如下：

AGND：模擬信號地;

ANALOG IN：模擬信號輸入端;

CLK：時鐘輸入端;

DGND：數字信號地;

D1～D8：數據輸出端口。D1為數據最低位，D8為最高位;

OE：輸出使能端。當OE為低時，D1～D8 數據有效，當OE為高時，D1～D8為高阻抗;

VDDA：模擬電路工作電源;

VDDD：數字電路工作電源;

REFTS ：內部參考電壓引出端之一，當使用內部電壓分壓器產生額定的2V基準電壓時，此端短路至REFT端;

REFT：參考電壓引出端之二;

REFB：參考電壓引出端之三;

REFBS ：內部參考電壓引出端之四，當使用內部電壓基準器產生額定的2V基準電壓時，此端短路至REFB端。

2.2 TLC5510的內部結構及工作過程

TLC5510的內部結構如圖2所示。由圖中可以看出：TLC5510模數轉換器內含時鐘發生器、內部基準電壓分壓器、1套高4位采樣比較器、編碼器、鎖存器、2套低4位采樣比較器、編碼器和1個低4位鎖存器等電路。TLC5510的外部時鐘信號CLK通過其內部的時鐘發生器可產生3路內部時鐘，以驅動3組采樣比較器。基準電壓分壓器則可用來為這3組比較器提供基準電壓。輸出A/D信號的高4位由高4位編碼器直接提供，而低4位的采樣數據則由兩個低4位的編碼器交替提供。

TLC5510的工作時序見圖3。時鐘信號CLK在每一個下降沿采集模擬輸入信號。第N次采集的數據經過2.5個時鐘周期的延遲之后，將送到內部數據總線上。

在圖3所示的工作時序的控制下，當第一個時鐘周期的下降沿到來時，模擬輸入電壓將被采樣到高比較器塊和低比較器塊，高比較器塊在第二個時鐘周期的上升沿最后確定高位數據，同時，低基準電壓產生與高位數據相應的電壓。低比較塊在第三個時鐘周期的上升沿的最后確定低位數據。高位數據和低位數據在第四個時鐘周期的上升沿進行組合，這樣，第N次采集的數據經過2.5個時鐘周期的延遲之后，便可送到內部數據總線上。此時如果輸出使能OE有效，則數據便可被送至8位數據總線上。由于CLK的最大周期為50ns，因此，TLC5510數模轉換器的最小采樣速率可以達到20MSPS。

3 在線陣CCD數據系統中的應用

圖4 為TLC5510的典型外接電路。

圖中的FB1～FB3為高頻磁珠，模擬供電電源AVDD經FB1～FB3為三部分模擬電路提供工作電流，以獲得更好的高頻去耦效果。

筆者研制的該線陣CCD數據采集系統主要由時序發生器、CCD驅動電路、視頻信號預處理電路及ADC、數據存儲器、PC機等組成。TLC5510的高速、內帶采樣保持電路等特點使其更利于該設計。TLC5510的主要作用是將CCD輸出的高速模擬視頻信號轉換為與其模擬幅值相對應的8位數字視頻信號。圖5是筆者設計的視頻信號A/D轉換器TLC5510的外圍電路。TLC5510可使用外部和內部兩種基準電壓連接方法。其中外部基準電壓從引腳REFT和REFB接入，并應滿足：

VREFB+2V≤VREF≤VDDA

0≤VREFB≤VREFB-2V

2V≤VREFT-VREFB≤5V

對于從零電平開始的正極性模擬輸入電壓，REFB應當連接到模擬地AGND。VREFT的范圍為2V～5V。如果要簡化電路，可利用TLC5510的內部分壓電阻從模擬電源電壓VDDA上取得基準電壓。在本設計中，CCD輸出的模擬視頻信號經過反相、濾波、放大之后即為從零電平開始的正極性模擬電壓信號。因此，為了簡化電路并同時滿足設計要求，筆者選用了TLC5510的內部基準方式，同時，因為CCD視頻信號是2V基準，所以，根據TLC5510的自身的特點，在設計過程中，筆者將REFBS端與AGND，而將REFTS與VDDA端相連，同時將REFBS短接至REFB端，REFTS短接至REFT端來獲得2V基準電壓。

在用該數據采集系統采集數據的過程中，當CCD輸出端輸出視頻信號時，在由時序發生器產生的A/D轉換控制時鐘CLK的同步控制下， TLC5510會將差動放大、低通濾波后的CCD模擬視頻信號實時地轉換為與其模擬幅值相對應的8位數字信號，當TLC5510的輸出使能 OE為低電平且高速數據存儲器的地址譯碼控制和寫控制均有效時，系統可將轉換結果存入高速數據存儲器，以等待PC機的讀取。為了使CCD輸出的視頻信號能夠正確可靠的轉換和存儲，在設計過程中，筆者對TLC5510的工作控制時鐘CLK、輸出使能OE及高速數據存儲器的地址譯碼控制時鐘、讀寫控制時鐘的周期做了具體的時間預算，并對它們之間的邏輯相位關系做了詳細的研究。根據預算，筆者將時序發生器內部的計數器、比較器、邏輯門以及D觸發器等進行逐級分頻和邏輯組合，從而使其產生正確可靠的時序邏輯。系統及數據分析實驗證明，采用TLC5510作為線陣CCD視頻信號的A/D轉換芯片，其接口電路簡單實用，使用方便，穩定性好。