AD9231：高性能 12 位雙路 ADC 的深度剖析

最近在研究高性能模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），AD9231 這款芯片引起了我的注意，下面就跟大家詳細(xì)分享一下這款芯片的特點(diǎn)、性能以及使用中的一些注意事項(xiàng)。

文件下載：AD9231.pdf

芯片概述

AD9231 是 Analog Devices 推出的一款 12 位、20 MSPS/40 MSPS/65 MSPS/80 MSPS 的雙路 ADC，采用 1.8 V 電源供電。它具備高性能的采樣保持電路和片上電壓基準(zhǔn)，適用于多種應(yīng)用場景，如通信、雷達(dá)、醫(yī)療成像等領(lǐng)域。

芯片特性亮點(diǎn)

優(yōu)異的電氣性能

• 高分辨率與高精度：AD9231 提供 12 位的分辨率，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保證無失碼。它的偏移誤差、增益誤差、差分非線性（DNL）和積分非線性（INL）等指標(biāo)表現(xiàn)出色，例如積分非線性典型值在±0.15 LSB 到 ±0.2 LSB 之間，為數(shù)據(jù)采集提供了高精度的保障。

  出色的動態(tài)性能

• 高信噪比（SNR）和無雜散動態(tài)范圍（SFDR）：在不同輸入頻率下，AD9231 都能保持較高的 SNR 和 SFDR。例如，在 9.7 MHz 輸入時(shí)，SNR 可達(dá) 71.3 dBFS，SFDR 可達(dá) 93 dBc；在 200 MHz 輸入時(shí)，SNR 為 69.0 dBFS，SFDR 為 83 dBc。這使得它在處理高頻信號時(shí)能夠有效抑制噪聲和雜散信號，保證信號的質(zhì)量。

  出色的動態(tài)性能

• 高信噪比（SNR）和無雜散動態(tài)范圍（SFDR）：在不同輸入頻率下，AD9231 都能保持較高的 SNR 和 SFDR。例如，在 9.7 MHz 輸入時(shí)，SNR 可達(dá) 71.3 dBFS，SFDR 可達(dá) 93 dBc；在 200 MHz 輸入時(shí)，SNR 為 69.0 dBFS，SFDR 為 83 dBc。這使得它在處理高頻信號時(shí)能夠有效抑制噪聲和雜散信號，保證信號的質(zhì)量。

SNR 和 SFDR 是衡量 ADC 性能的關(guān)鍵指標(biāo)。高 SNR 意味著 ADC 能夠更準(zhǔn)確地將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，減少噪聲對信號的干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，如通信系統(tǒng)里，高 SNR 可以提高信號的清晰度和可靠性，減少誤碼率。而 SFDR 則反映了 ADC 對雜散信號的抑制能力，高 SFDR 可以避免雜散信號對有用信號的干擾，提高系統(tǒng)的動態(tài)范圍。對于通信系統(tǒng)而言，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中準(zhǔn)確地接收和處理信號。

低功耗設(shè)計(jì)

AD9231 在功耗方面表現(xiàn)出色，其功耗與采樣率相關(guān)。在 20 MSPS 時(shí)，每通道功耗僅 32 mW；在 80 MSPS 時(shí)，每通道功耗為 71 mW。這種低功耗特性使得它非常適合應(yīng)用于電池供電的設(shè)備，如手持示波器、便攜式醫(yī)療成像設(shè)備等，能夠有效延長設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

靈活的時(shí)鐘輸入

• 多種時(shí)鐘信號支持：AD9231 的時(shí)鐘輸入可以是 CMOS、LVDS、LVPECL 或正弦波信號，這為工程師在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)提供了更多的選擇，可以根據(jù)實(shí)際需求靈活配置時(shí)鐘源。
• 時(shí)鐘分頻和同步功能：內(nèi)部集成了輸入時(shí)鐘分頻器，可將輸入時(shí)鐘進(jìn)行 1 - 8 的整數(shù)分頻。通過外部 SYNC 輸入，還能實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘分頻器的同步，確保多個(gè) ADC 的輸入采樣同步，滿足多通道應(yīng)用的需求。
• 時(shí)鐘占空比穩(wěn)定器（DCS）：該功能可對時(shí)鐘的非采樣（下降）沿進(jìn)行重新定時(shí)，提供標(biāo)稱 50% 占空比的內(nèi)部時(shí)鐘信號，使得用戶可以提供較寬范圍的時(shí)鐘輸入占空比，而不會影響 AD9231 的性能。不過，需要注意的是，DCS 對時(shí)鐘上升沿的抖動改善有限，且在時(shí)鐘頻率低于 20 MHz 時(shí)，DCS 功能可能無法正常工作。

豐富的數(shù)字功能

• 多種數(shù)據(jù)輸出格式：輸出數(shù)據(jù)格式可以選擇偏移二進(jìn)制、格雷碼或二進(jìn)制補(bǔ)碼，方便與不同的數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。通過設(shè)置 SCLK/DFS 引腳或使用 SPI 控制，能夠靈活選擇所需的數(shù)據(jù)格式。
• 內(nèi)置自測試（BIST）功能：可以對 AD9231 的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路徑進(jìn)行全面測試。在復(fù)位后執(zhí)行 BIST 測試，將內(nèi)部偽隨機(jī)噪聲（PN）源的數(shù)據(jù)通過數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路徑，最后通過 CRC 邏輯計(jì)算簽名并與預(yù)設(shè)值比較，判斷測試是否通過。這有助于工程師快速驗(yàn)證芯片的完整性，進(jìn)行板級調(diào)試。
• 輸出測試模式：提供多種輸出測試選項(xiàng)，可將可預(yù)測的值置于 AD9231 的輸出端。在啟用輸出測試模式時(shí)，ADC 的模擬部分與數(shù)字后端模塊斷開，測試模式可以在有或無模擬信號的情況下進(jìn)行，但需要編碼時(shí)鐘。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

AD9231 的高性能和靈活性使其在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用：

• 通信領(lǐng)域：適用于多樣性無線電系統(tǒng)、多模式數(shù)字接收器、GSM、EDGE、W - CDMA、LTE、CDMA2000、WiMAX、TD - SCDMA 等通信標(biāo)準(zhǔn)，以及 I/Q 解調(diào)系統(tǒng)和智能天線系統(tǒng)。
• 儀器儀表領(lǐng)域：可用于電池供電的儀器，如手持示波器，以及便攜式醫(yī)療成像設(shè)備，如超聲設(shè)備等。
• 雷達(dá)/LIDAR 領(lǐng)域：能夠滿足雷達(dá)和激光雷達(dá)系統(tǒng)對高速、高精度數(shù)據(jù)采集的需求。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在使用 AD9231 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

• 電源和接地：建議使用兩個(gè)獨(dú)立的電源，一個(gè) 1.8 V 用于模擬供電（AVDD），另一個(gè) 1.8 - 3.3 V 用于數(shù)字輸出供電（DRVDD）。如果使用公共電源，需要使用鐵氧體磁珠或?yàn)V波扼流圈以及獨(dú)立的去耦電容進(jìn)行隔離。同時(shí)，要確保 PCB 上有足夠的去耦電容，且放置位置靠近芯片引腳，以減少電源噪聲。
• 時(shí)鐘輸入：時(shí)鐘信號應(yīng)作為模擬信號處理，避免數(shù)字噪聲對其調(diào)制。盡量使用低抖動、晶體控制的振蕩器作為時(shí)鐘源，如果時(shí)鐘是通過其他方式生成的，應(yīng)在最后一步由原始時(shí)鐘進(jìn)行重新定時(shí)。
• SPI 接口：在需要 ADC 發(fā)揮全動態(tài)性能時(shí)，SPI 接口不應(yīng)處于活動狀態(tài)，因?yàn)?SCLK、CSB 和 SDIO 信號通常與 ADC 時(shí)鐘異步，其噪聲可能會降低轉(zhuǎn)換器的性能。如果 SPI 總線還用于其他設(shè)備，可能需要在總線和 AD9231 之間提供緩沖器，以防止這些信號在關(guān)鍵采樣期間在轉(zhuǎn)換器輸入處發(fā)生轉(zhuǎn)換。

總之，AD9231 是一款性能優(yōu)異、功能豐富的 12 位 ADC，為電子工程師在設(shè)計(jì)高速、高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)提供了一個(gè)可靠的選擇。通過合理的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，滿足不同領(lǐng)域的需求。各位工程師在實(shí)際應(yīng)用中，不妨多嘗試這款芯片，看看它能為你的項(xiàng)目帶來怎樣的驚喜。