AD9254：高性能14位150 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器的深入剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是連接模擬世界和數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入探討一款備受關(guān)注的ADC——AD9254，它具有14位分辨率和150 MSPS的采樣速率，為眾多應(yīng)用場(chǎng)景提供了卓越的性能。

文件下載：AD9254.pdf

產(chǎn)品概述

AD9254是一款單芯片、單1.8 V電源供電的14位、150 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器，集成了高性能采樣保持放大器（SHA）和片上電壓基準(zhǔn)。它采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，并配備輸出誤差校正邏輯，能夠在150 MSPS的數(shù)據(jù)速率下保證14位的精度，且在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)無(wú)漏碼現(xiàn)象。

產(chǎn)品特性

• 電源與性能：采用1.8 V模擬電源供電，輸出電源范圍為1.8 V至3.3 V，可適應(yīng)不同的邏輯電平需求。在70 MHz輸入時(shí)，信噪比（SNR）可達(dá)71.8 dBc（72.8 dBFS），無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）為84 dBc，展現(xiàn)出出色的信號(hào)處理能力。
• 低功耗設(shè)計(jì)：在150 MSPS采樣速率下，功耗僅為430 mW，有效降低了系統(tǒng)的能耗。
• 靈活輸入：具有650 MHz帶寬的差分輸入，支持1 V p-p至2 V p-p的靈活輸入范圍，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。
• 豐富功能：片上集成電壓基準(zhǔn)和采樣保持放大器，具備時(shí)鐘占空比穩(wěn)定器、數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘、串行端口控制等功能，還支持內(nèi)置可選數(shù)字測(cè)試模式生成和可編程時(shí)鐘與數(shù)據(jù)對(duì)齊。

應(yīng)用領(lǐng)域

AD9254的卓越性能使其在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括超聲設(shè)備、通信接收器中的中頻采樣、CDMA2000、WCDMA、TD - SCDMA和WiMax等通信標(biāo)準(zhǔn)，以及電池供電儀器、手持示波器和低成本數(shù)字示波器等。此外，它還適用于宏、微和皮基站基礎(chǔ)設(shè)施。

技術(shù)細(xì)節(jié)分析

工作原理

AD9254的架構(gòu)由前端采樣保持放大器（SHA）和流水線式開(kāi)關(guān)電容ADC組成。量化輸出在數(shù)字校正邏輯中組合成最終的14位結(jié)果。流水線架構(gòu)允許第一級(jí)處理新的輸入樣本，而其余級(jí)處理先前的樣本，采樣發(fā)生在時(shí)鐘的上升沿。

模擬輸入考慮

• 輸入配置：模擬輸入采用差分開(kāi)關(guān)電容SHA，設(shè)計(jì)用于處理差分輸入信號(hào)以實(shí)現(xiàn)最佳性能。在采樣模式下，信號(hào)源需能夠在半個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)采樣電容充電并穩(wěn)定?？稍谳斎氪?lián)小電阻以減少驅(qū)動(dòng)源輸出級(jí)所需的峰值瞬態(tài)電流，還可在輸入兩端并聯(lián)電容提供動(dòng)態(tài)充電電流，但在中頻欠采樣應(yīng)用中應(yīng)減少并聯(lián)電容以避免限制輸入帶寬。
• 輸入共模：AD9254的模擬輸入無(wú)內(nèi)部直流偏置，在交流耦合應(yīng)用中，用戶需外部提供偏置。建議將共模電壓設(shè)置為 (V_{CM}=0.55 ×AVDD) 以實(shí)現(xiàn)最佳性能，同時(shí)可通過(guò)CML引腳提供的板載共模電壓參考來(lái)設(shè)置模擬輸入的共模電壓。

電壓基準(zhǔn)

AD9254內(nèi)置穩(wěn)定準(zhǔn)確的電壓基準(zhǔn)，輸入范圍可通過(guò)改變施加的參考電壓進(jìn)行調(diào)整。參考模式包括內(nèi)部固定參考、可編程參考和外部參考。內(nèi)部參考連接時(shí)，SENSE引腳的電位決定參考狀態(tài)；使用外部參考可增強(qiáng)ADC的增益精度或改善熱漂移特性。

時(shí)鐘輸入考慮

• 時(shí)鐘選項(xiàng)：為實(shí)現(xiàn)最佳性能，AD9254的采樣時(shí)鐘輸入（CLK+和CLK - ）應(yīng)采用差分信號(hào)。時(shí)鐘輸入可采用CMOS、LVDS、LVPECL或正弦波信號(hào)，關(guān)鍵在于時(shí)鐘源的抖動(dòng)?？赏ㄟ^(guò)變壓器或電容將信號(hào)交流耦合到時(shí)鐘輸入引腳，也可使用低抖動(dòng)時(shí)鐘源轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。
• 時(shí)鐘占空比：AD9254包含占空比穩(wěn)定器（DCS），可在寬范圍的時(shí)鐘輸入占空比下保持ADC的性能。但輸入上升沿的抖動(dòng)仍需關(guān)注，DCS在時(shí)鐘速率低于20 MHz時(shí)可能無(wú)法正常工作。

功耗與待機(jī)模式

• 功耗：AD9254的功耗與采樣速率成正比，數(shù)字功耗主要取決于數(shù)字驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度和每個(gè)輸出位的負(fù)載。可通過(guò)減少輸出驅(qū)動(dòng)器的電容負(fù)載來(lái)降低數(shù)字功耗。
• 電源模式：通過(guò)將PDWN引腳置高，AD9254進(jìn)入掉電模式，典型功耗為1.8 mW；使用SPI端口接口時(shí)，可將ADC置于掉電或待機(jī)模式，待機(jī)模式可在需要更快喚醒時(shí)間時(shí)保持內(nèi)部參考電路供電。

數(shù)字輸出

• 輸出配置：AD9254的輸出驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)匹配DRVDD與接口邏輯的數(shù)字電源，與1.8 V至3.3 V的邏輯系列接口。輸出數(shù)據(jù)格式可通過(guò)設(shè)置SCLK/DFS引腳或使用SPI控制選擇偏移二進(jìn)制、二進(jìn)制補(bǔ)碼或格雷碼。
• 超出范圍指示：當(dāng)模擬輸入電壓超出ADC的輸入范圍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)超出范圍（OR）情況。OR是一個(gè)數(shù)字輸出，與數(shù)據(jù)輸出同步更新，可通過(guò)邏輯與操作檢測(cè)過(guò)范圍高或欠范圍低的情況。
• 輸出使能功能：AD9254具有三態(tài)能力，OEB引腳為低時(shí)，輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器啟用；為高時(shí)，輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入高阻態(tài)。

時(shí)序

AD9254的最低典型轉(zhuǎn)換速率為10 MSPS，時(shí)鐘速率低于10 MSPS時(shí)，動(dòng)態(tài)性能可能下降。它提供鎖存數(shù)據(jù)輸出，流水線延遲為十二個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)輸出在時(shí)鐘信號(hào)上升沿后的一個(gè)傳播延遲（tPD）后可用。同時(shí)，它還提供數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出（DCO），用于在外部寄存器中捕獲數(shù)據(jù)。

串行端口接口（SPI）

AD9254的SPI接口允許用戶通過(guò)ADC內(nèi)部的結(jié)構(gòu)化寄存器空間配置轉(zhuǎn)換器的特定功能或操作。通過(guò)SCLK/DFS、SDIO/DCS和CSB三個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)操作，可用于編程芯片和讀取片上內(nèi)存內(nèi)容。

布局考慮

電源與接地

建議使用兩個(gè)獨(dú)立的電源分別為模擬（AVDD，標(biāo)稱1.8 V）和數(shù)字（DRVDD，標(biāo)稱1.8 V至3.3 V）部分供電。若只有一個(gè)1.8 V電源，可先連接到AVDD，再通過(guò)鐵氧體磁珠或?yàn)V波電感和去耦電容連接到DRVDD。同時(shí)，應(yīng)使用單個(gè)PCB接地平面，并合理進(jìn)行模擬、數(shù)字和時(shí)鐘部分的分區(qū)。

引腳相關(guān)

• CML：CML引腳應(yīng)通過(guò)0.1 μF電容接地。
• RBIAS：需在RBIAS引腳和地之間連接一個(gè)10 kΩ電阻，該電阻設(shè)置ADC核心的主電流參考，公差至少為1%。
• 參考去耦：VREF引腳應(yīng)通過(guò)低ESR的1.0 μF電容和0.1 μF陶瓷低ESR電容并聯(lián)接地，REFT和REFB之間應(yīng)連接0.1 μF陶瓷電容以減少內(nèi)部參考緩沖器的噪聲。

評(píng)估板

AD9254評(píng)估板提供了操作ADC所需的所有支持電路，可通過(guò)雙平衡變壓器配置（默認(rèn)）或AD8352差分驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)ADC，也可單端驅(qū)動(dòng)。評(píng)估板對(duì)信號(hào)源的相位噪聲要求較高，模擬輸入信號(hào)需進(jìn)行適當(dāng)濾波以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

總結(jié)

AD9254憑借其高性能、低功耗、靈活的輸入輸出配置和豐富的功能，成為眾多應(yīng)用場(chǎng)景下的理想選擇。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，工程師需充分考慮模擬輸入、時(shí)鐘輸入、功耗、數(shù)字輸出等方面的因素，并合理進(jìn)行布局和評(píng)估，以充分發(fā)揮AD9254的優(yōu)勢(shì)。你在使用AD9254或其他類(lèi)似ADC時(shí)遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。