在雷達(dá)、衛(wèi)星通信等高頻信號(hào)處理場(chǎng)景中，工程師常面臨一個(gè)棘手問(wèn)題：當(dāng)輸入信號(hào)頻率攀升至400MHz以上時(shí)，傳統(tǒng)ADC的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）會(huì)迅速退化至60dB以下，致使信號(hào)中微弱的目標(biāo)信息被噪聲所掩蓋——這在衛(wèi)星通信接收深空微弱信號(hào)時(shí)，可能直接造成“漏判”或“誤判”。

芯佰微電子推出的CBM94AD34-50012位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），以“高采樣率+高動(dòng)態(tài)性能+進(jìn)口替代兼容性”三大核心優(yōu)勢(shì)，成為破解高頻信號(hào)采集痛點(diǎn)的關(guān)鍵方案。

一、高頻場(chǎng)景的三大核心痛點(diǎn)，傳統(tǒng)ADC難以突破

在雷達(dá)、寬帶通信等高頻應(yīng)用中，ADC作為“模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)的第一道關(guān)卡”，其性能直接決定后端信號(hào)處理的精度。但傳統(tǒng)方案存在三大瓶頸：

在高頻應(yīng)用中，ADC的動(dòng)態(tài)性能會(huì)顯著下降。例如，當(dāng)輸入信號(hào)頻率從30MHz增加到450MHz時(shí)，許多12位ADC的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）會(huì)降低8-10dB，這通常會(huì)低于65dB的性能閾值。這種性能衰減意味著強(qiáng)信號(hào)的旁瓣可能會(huì)掩蓋較弱的信號(hào)，正如在雷達(dá)系統(tǒng)中，近距離的強(qiáng)反射目標(biāo)可能會(huì)遮蔽遠(yuǎn)處的小目標(biāo)。

采樣率與功耗失衡：為覆蓋寬帶信號(hào)，ADC需支持500MSPS以上采樣率，但傳統(tǒng)方案功耗普遍超過(guò)1000mW，在衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等供電受限場(chǎng)景中，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重、續(xù)航驟降。

進(jìn)口替代兼容性差：主流進(jìn)口ADC（如ADIAD9434）面臨交貨周期長(zhǎng)、供應(yīng)鏈不穩(wěn)定等問(wèn)題，而國(guó)產(chǎn)替代產(chǎn)品常因引腳定義、時(shí)序邏輯差異，需重新設(shè)計(jì)電路板，增加研發(fā)成本。

二、CBM94AD34-500：從動(dòng)態(tài)性能到兼容性的全維度優(yōu)化

CBM94AD34-500是芯佰微推出的一款12位單片采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），專為高性能、低功耗及易用性優(yōu)化設(shè)計(jì)。其采用SiGeBiCMOS工藝制造，封裝形式為56引線塑料封裝（QFN56），集成采樣保持放大器（SHA）和片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源，可提供完整的信號(hào)轉(zhuǎn)換解決方案。VREF引腳支持內(nèi)部基準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)或外部基準(zhǔn)輸入（外部基準(zhǔn)模式需通過(guò)SPI端口開(kāi)啟），適配多樣化信號(hào)處理需求。

該產(chǎn)品主要應(yīng)用于無(wú)線與寬帶通信、接收器、通信測(cè)試設(shè)備、雷達(dá)和衛(wèi)星子系統(tǒng)及功率放大器的線性化等場(chǎng)景。

核心特性

性能參數(shù)：分辨率為12bit，采樣率達(dá)500MSPS，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）>65dB，輸入范圍可在1.18Vp-p至1.6Vp-p間調(diào)節(jié)，且與AD9434系列引腳兼容。

電源與接口：需1.8V模擬電源供電，采用差分時(shí)鐘以保證整體性能；數(shù)字輸出兼容LVDS（ANSI-644），數(shù)據(jù)格式支持二進(jìn)制補(bǔ)碼、格雷碼或偏移二進(jìn)制，配備數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘確保時(shí)序準(zhǔn)確。

替代優(yōu)勢(shì)：可直接替代美國(guó)ADI公司的AD9434BCPZ-500，引腳定義與封裝形式一致，便于快速替換。

技術(shù)參數(shù)與工作條件

推薦工作條件

工作頻率（fCLK）：≤500MHz

模擬與數(shù)字電源電壓：1.75V～1.9V

模擬輸入共模電壓：1.6V～1.8V

工作環(huán)境溫度：-40℃~85℃

輸入信號(hào)幅度峰峰值（VIN(P-P)）：≤1.5V。

關(guān)鍵性能指標(biāo)

失調(diào)誤差：-5.0mV~+5.0mV，增益誤差：-9%FS~+9%FS

微分線性誤差（DNL）：-1.5~1.5LSB，積分線性誤差（INL）：-4.5~4.5LSB

信噪比（SNR）：30.3MHz輸入時(shí)≥63dBFS，450.3MHz輸入時(shí)≥61dBFS

功耗：典型值≤900mW，待機(jī)功耗≤60mW，休眠功耗≤12mW。

三、功能結(jié)構(gòu)與引腳定義

功能框圖

CBM94AD34的功能框圖如圖1所示，主要包含多級(jí)流水線結(jié)構(gòu)（第一級(jí)至第八級(jí)流水線）、緩沖及偏置電路、基準(zhǔn)緩沖電路、數(shù)據(jù)對(duì)齊與控制及數(shù)字校正電路、OTP（一次性可編程）電路、時(shí)鐘穩(wěn)定及管理電路、控制電路、SPI數(shù)據(jù)格式選擇及輸出驅(qū)動(dòng)電路等模塊。各模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的高效轉(zhuǎn)換與處理，其中時(shí)鐘穩(wěn)定及管理電路確保采樣時(shí)鐘的精準(zhǔn)性，SPI接口則為數(shù)據(jù)格式配置等提供靈活控制。

圖1功能框圖

引腳排列與功能

CBM94AD34采用56引腳QFN封裝。部分關(guān)鍵引腳功能如下：

圖2引出端排列

差分輸出引腳：包括D0-D11的正負(fù)端（如1腳D3-、2腳D3+、3腳D4-等），用于輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，采用差分形式以提高抗干擾能力。

電源引腳：模擬電源（VCC）分布在多個(gè)引腳（如30腳、32腳等），數(shù)字電源（VDD）包括7腳、24腳等，均為1.8V供電，需注意模擬電源與數(shù)字電源的穩(wěn)定供電。

控制引腳：29腳PWDN為關(guān)斷模式選擇引腳，25腳SDIO為SPI數(shù)據(jù)輸入/輸出（串行模式），26腳SCLK/DFS為SPI時(shí)鐘（串行模式）/輸出數(shù)據(jù)格式選擇（外部引腳模式），27腳CSB為SPI片選（低電平有效），通過(guò)這些引腳可實(shí)現(xiàn)芯片的模式控制與配置。

輸入引腳：35腳VIN+為模擬差分輸入正端，36腳VIN-為模擬差分輸入負(fù)端，44腳CLK+為時(shí)鐘差分輸入正端，45腳CLK-為時(shí)鐘差分輸入負(fù)端，40腳CML為共模電壓偏置輸出。

其他引腳：21腳OR-、22腳OR+為溢出判斷位的正負(fù)端，49腳DCO-、50腳DCO+為數(shù)據(jù)時(shí)鐘的正負(fù)端，8腳、23腳、48腳等均為數(shù)字地（GNDD）。

注：NC端（如28腳）正常使用時(shí)需懸空。

四、應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

模擬輸入電路

CBM94AD34通過(guò)差分輸入配置可實(shí)現(xiàn)最佳性能，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景有多種推薦電路：

在基帶應(yīng)用中，采用AD8138差分驅(qū)動(dòng)器可提供出色性能和靈活接口。AD8138輸出共模電壓易設(shè)置到AVDD/2+0.5V，且可配置為Sallen-Key濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行帶寬限制，具體電路如圖3所示。

圖3利用AD8138進(jìn)行差分輸入配置

當(dāng)輸入頻率處于第二或更高奈奎斯特區(qū)域，尤其是70MHz至100MHz的中頻欠采樣應(yīng)用時(shí)，建議使用差分雙巴倫耦合輸入配置。選擇變壓器時(shí)需考慮信號(hào)特性，避免低頻飽和及功率過(guò)大導(dǎo)致的失真，電路如圖4所示。

圖4差分變壓器耦合配置

頻率在第二奈奎斯特區(qū)域內(nèi)時(shí)，還可使用AD8352差分驅(qū)動(dòng)器，實(shí)例電路如圖5所示。

圖5利用AD8352進(jìn)行差分輸入配置

在任何配置中，并聯(lián)電容值C取決于輸入頻率和源阻抗，可能需要降低電容量或去掉該并聯(lián)電容。

時(shí)鐘輸入電路

為充分發(fā)揮芯片性能，CBM94AD34的采樣時(shí)鐘輸入端（CLK+和CLK-）需采用差分信號(hào)，推薦以下時(shí)鐘輸入電路：

利用射頻變壓器將低抖動(dòng)時(shí)鐘源的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，跨接在變壓器次級(jí)上的背對(duì)背肖特基二極管可將時(shí)鐘信號(hào)限制為約差分0.8V峰峰值，既保留快速上升和下降時(shí)間，又防止大電壓擺幅影響低抖動(dòng)性能，電路如圖6所示。

圖6變壓器耦合差分時(shí)鐘配置

若沒(méi)有低抖動(dòng)時(shí)鐘源，可對(duì)差分PECL信號(hào)進(jìn)行交流耦合傳輸至采樣時(shí)鐘輸入引腳，AD9510/AD9511/AD9512/AD9513/AD9514/AD9515系列時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器具有出色抖動(dòng)性能，電路如圖7所示。

圖7差分 PECL采樣時(shí)鐘

也可采用差分LVDS采樣時(shí)鐘配置，電路如圖8所示。

圖8差分 LVDS采樣時(shí)鐘

在某些應(yīng)用中，可利用單端CMOS信號(hào)驅(qū)動(dòng)采樣時(shí)鐘輸入。CLK+引腳直接由CMOS門電路驅(qū)動(dòng)，CLK-引腳通過(guò)0.1uF電容旁路至地；用1.8VCMOS信號(hào)驅(qū)動(dòng)CLK+時(shí)，需通過(guò)0.1uF電容與39k電阻的并聯(lián)偏置CLK-引腳，電路如圖9所示。

圖9單端 1.8 V CMOS輸入時(shí)鐘

CLK+和CLK-引腳有約0.9V的內(nèi)部偏置，無(wú)需外部偏置；若時(shí)鐘信號(hào)為直流耦合，需使共模電壓保持在0.9V范圍內(nèi)。

數(shù)字輸出

CBM94AD34的差分輸出數(shù)據(jù)默認(rèn)符合ANSI-644LVDS標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)格式可通過(guò)SPI改為低功耗、較少信號(hào)選擇的類似IEEE1596.3標(biāo)準(zhǔn)的格式，該模式能進(jìn)一步減少約39mW功耗。LVDS驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)驅(qū)動(dòng)差分線對(duì)的電流源組成，通常電流為3.5mA。在LVDS接收機(jī)輸入端加100Ω終端電阻，將產(chǎn)生大約350mV的電壓擺幅。

該LVDS型輸出數(shù)據(jù)格式有利于與定制ASIC和FPGA中的LVDS接收器連接，在高噪聲環(huán)境中開(kāi)關(guān)性能優(yōu)異。建議將帶100Ω終端電阻的單一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)放置在離接收器越近越好，避免終端過(guò)遠(yuǎn)或差分布線不良導(dǎo)致的時(shí)序錯(cuò)誤，且走線長(zhǎng)度不超過(guò)24英寸，差分輸出走線需并行且長(zhǎng)度相同。

輸出數(shù)據(jù)格式默認(rèn)為偏移二進(jìn)制，也支持二進(jìn)制補(bǔ)碼、格雷碼等，輸入與輸出碼及模擬輸入的關(guān)系如表所示。

五、典型特性曲線

DNL與INL測(cè)試結(jié)果

在采樣率fCLK=500MHz、輸入信號(hào)頻率fIN=30.3MHz的測(cè)試條件下，CBM94AD34的微分線性誤差（DNL）為-0.51/+0.49LSB，無(wú)丟失碼（DNL≤-0.9）和丟失判決電平（DNL≥0.9）；積分線性誤差（INL）為-1.1/+1.1LSB。

動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

當(dāng)采樣率fCLK=499.99970304MHz、輸入信號(hào)頻率fIN=30.28867830MHz時(shí)，測(cè)試結(jié)果為：SFDR=79.23dBFS，二階和三階諧波失真（HD2,3nd）=78.89dBFS，四階諧波失真（HD4nd）=81.48dBFS，SNR=65.6dBFS，SINAD=65.1034dBFS，ENOB=10.5217bits。

SNR與SFDR隨采樣頻率變化曲線

根據(jù)CBM94AD34模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)，其在寬帶應(yīng)用中具有良好的動(dòng)態(tài)性能表現(xiàn)，SNR隨輸入頻率的變化曲線，在30.3MHz、70.3MHz、100.3MHz、250.3MHz、450.3MHz等輸入頻率點(diǎn)呈現(xiàn)一定變化，整體保持在較高水平。

SFDR隨輸入頻率的變化曲線表明，在各種輸入頻率條件下，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍均展現(xiàn)出卓越的性能，充分滿足寬帶應(yīng)用的各種需求。

六、多領(lǐng)域?qū)嵺`

在無(wú)線與寬帶通信系統(tǒng)中，CBM94AD34500MSPS的采樣速率可滿足寬帶信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)字化需求，12位分辨率與≥65dB的SFDR（無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍）能精準(zhǔn)捕獲復(fù)雜調(diào)制信號(hào)的細(xì)節(jié)特征，適配基站收發(fā)信機(jī)、衛(wèi)星通信地面站等設(shè)備的信號(hào)采集需求。

作為接收器核心組件，CBM94AD34的寬輸入范圍（1.18Vp-p至1.6Vp-p）可兼容不同強(qiáng)度的接收信號(hào)，差分輸入架構(gòu)與抗干擾設(shè)計(jì)（LVDS輸出、差分時(shí)鐘）能有效抑制噪聲，確保對(duì)微弱信號(hào)（如遠(yuǎn)距離通信信號(hào)、雷達(dá)回波）的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，廣泛用于各類通信接收器、雷達(dá)接收前端等場(chǎng)景。

針對(duì)雷達(dá)和衛(wèi)星子系統(tǒng)，CBM94AD34的高動(dòng)態(tài)性能（SFDR≥72dBFS@30.3MHz）能區(qū)分強(qiáng)弱目標(biāo)信號(hào)，-40℃~85℃的寬溫工作范圍可適應(yīng)極端環(huán)境，差分時(shí)鐘設(shè)計(jì)保證高速采樣的時(shí)序穩(wěn)定性，在氣象雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)及星載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。