12b雙通道高速A/D轉(zhuǎn)換器AD9238的原理及應(yīng)用

　　 AD9238是美國(guó)模擬器件公司（ADI）在2002年8月推出的業(yè)界最快的12 b雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD9238與ADI公司的驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器配合可以給醫(yī)療成像、多通道通信等高端應(yīng)用提供完整的解決方案。

　　AD9238分3種型號(hào)，采樣率最高分別可達(dá)20 MS/s，40 MS/s和65 MS/s。他可以提供與單通道A/D轉(zhuǎn)換器同樣優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，但是比使用2個(gè)單通道A/D轉(zhuǎn)換器具有更好的抗串?dāng)_性能。

　　AD9238三種型號(hào)的功耗分別為180 mW，330 mW和600 mW，只有同類A/D轉(zhuǎn)換器的1/2。他采用64腳LQFP封裝（尺寸只有9 mm×9 mm），非常適合在對(duì)尺寸要求嚴(yán)格的場(chǎng)合中使用。

　　1　　AD9238的主要特點(diǎn)：

　　集成了2個(gè)12 b的單通道A/D轉(zhuǎn)換器AD9235（20/40/65 MS/s）；采用單一3 V供電（2．7～3．6 V）；RSN＝70 dBc（最高采樣頻率時(shí),AD9238-65,此值為典型值）;RSFD＝85 dBc（最高采樣頻率時(shí),AD9238-65,此值為典型值）；ENOB＝11.3 b（有效位數(shù)，典型值）；差分輸入時(shí)有500 MHz的3 dB帶寬；有片上的參考電壓和SHA；1～2Vp-p 的模擬輸入范圍；輸出數(shù)據(jù)格式為偏移二進(jìn)制碼或者是二進(jìn)制補(bǔ)碼;AD9238-65還帶有片上時(shí)鐘占空比調(diào)整電路；通道間串?dāng)_為－80 dBc＠fIN＝10 MHz。

　　2　芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理說(shuō)明

　　如圖1所示，AD9238由2個(gè)基于AD9235轉(zhuǎn)換器核的高性能A/D轉(zhuǎn)換器組成。這2個(gè)ADC通道除了共用內(nèi)部的電壓參考源VREF，其他基本是獨(dú)立的。每個(gè)ADC通道都包含有1個(gè)前端采樣保持放大器（SHA）和1個(gè)流水線ADC。該流水線ADC分為三級(jí)，第一級(jí)是1個(gè)4 b的閃速（Flash）ADC，第二級(jí)是8個(gè)1．5 b的閃速ADC，第三級(jí)是1個(gè)4 b的閃速ADC。每一級(jí)都提供有充分的位數(shù)重疊來(lái)糾正前一級(jí)的錯(cuò)誤，每級(jí)的量化輸出再加上數(shù)字誤差校正可以保證最后得到12 b的有效位數(shù)。流水線的結(jié)構(gòu)允許前一級(jí)在完成某一采樣工作后進(jìn)行新的采樣，而后一級(jí)仍在進(jìn)行先前的采樣工作。

　　流水線的每一級(jí)（除了最后一級(jí)）都有一個(gè)低位數(shù)的DAC和一個(gè)乘法器來(lái)驅(qū)動(dòng)下一級(jí)。乘法器用閃速ADC的輸出來(lái)控制開關(guān)電容DAC。DAC的輸出減去輸入信號(hào)再經(jīng)放大后送入下一級(jí)流水線，乘法器這一級(jí)也叫做乘法DAC（MDAC）。每一級(jí)有1 b用來(lái)對(duì)前一級(jí)的錯(cuò)誤進(jìn)行數(shù)字校正。最后一級(jí)只包括一個(gè)閃速ADC。沖器。輸出緩沖器單獨(dú)供電，這樣可以方便地對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。AD9238有64個(gè)管腳，管腳分布如圖2所示。

　　3　　AD9238應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用屬于數(shù)字模擬混合電路設(shè)計(jì)，以下對(duì)AD9238應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)論述。

　　3.1　　模擬輸入

　　AD9238的模擬輸入端（管腳2，3，14，15）是一個(gè)差分開關(guān)電容電路（SHA），他可以接收1-2Vp-p范圍的單端或者差分模擬輸入信號(hào)。

　　SHA電路根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)選擇處于采樣模式或者是保持模式。在SHA電路的每個(gè)輸入端串接一個(gè)小的電阻可以減小從輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)源產(chǎn)生的瞬時(shí)峰值電流，并接一個(gè)電容可以提供動(dòng)態(tài)負(fù)載電流。這個(gè)無(wú)源網(wǎng)絡(luò)組成了一個(gè)輸入低通濾波器?！　?

　　REFT和REFB分別提供了內(nèi)部正負(fù)差分電壓參考。 他們定義了ADC內(nèi)核的電壓范圍，有關(guān)的關(guān)系如下：

　　內(nèi)部電壓參考（VREF）的范圍是0．5～1．0 V，按照上述關(guān)系，外部電壓輸入范圍為1．0～2．0 V。當(dāng)AD9238工作在最大的輸入范圍時(shí)(2Vp-p模式時(shí)），可以獲得最大的RSN（信噪比）性能，當(dāng)工作在1Vp-p模式時(shí)，RSN會(huì)下降3 dB。

　　如前所述，AD9238可以采用單端或者差分模擬輸入。當(dāng)工作在差分輸入模式時(shí)，會(huì)有比較好的性能。這時(shí)建議采用AD公司的差分運(yùn)放AD8138作為ADC的驅(qū)動(dòng)芯片。當(dāng)AD9238工作在單端輸入模式時(shí)，ADC的性能會(huì)有所下降（如SFDR和SNR指標(biāo)），但是比較適合低成本的應(yīng)用，這時(shí)還是可以保證比較好的性能。

　　3．2時(shí)鐘信號(hào)

　　高速的ADC對(duì)時(shí)鐘的占空比很敏感，一般來(lái)說(shuō)需要有50％（±5％）的占空比。AD9238給每個(gè)通道單獨(dú)提供時(shí)鐘（管腳CLK＿A和CLK＿B），當(dāng)2個(gè)通道的采樣時(shí)鐘同頻同相時(shí)會(huì)有比較好的性能，當(dāng)2個(gè)通道不同步時(shí)性能會(huì)有所下降。

　　AD9238-65內(nèi)部有2個(gè)時(shí)鐘占空比調(diào)節(jié)器，可以將占空比調(diào)整到50％（當(dāng)使能DCS管腳時(shí)）。另外兩種型號(hào)沒有這種功能。

　　時(shí)鐘信號(hào)的電源驅(qū)動(dòng)應(yīng)該和輸出數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)分開，以避免混入數(shù)字噪聲。時(shí)鐘信號(hào)的孔徑抖動(dòng)對(duì)ADC的性能影響較大，所以最好采用抖動(dòng)比較小的晶振作為時(shí)鐘源。

　　AD9238三種信號(hào)的最高時(shí)鐘頻率分別為20 MS/s，40 MS/s和65 MS/s，最低的時(shí)鐘頻率都為1 MS/s，當(dāng)時(shí)鐘頻率低于1 MS/s時(shí)動(dòng)態(tài)性能會(huì)下降。

　　3．3電源與接地

　　AD9238供電電壓范圍為2．7～3．6 V，分為模擬電源（AVDD，共4個(gè)管腳）和數(shù)字電源（DRVDD，共3個(gè)管腳）。每個(gè)通道可以獨(dú)立地工作在休眠模式（通過(guò)使能PWDN＿A或者PWDN＿B）。在這種模式下器件功耗很低。

　　AD9238的數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)可以根據(jù)DRVDD的值設(shè)置成2．5 V或者3．3 V輸出。這樣可以適應(yīng)不同系列的器件。

　　AD9238具有2種接地管腳：AGND（第1，4，13，16管腳）和DRGND（第28，40，53管腳）。模擬地（AGND）用作模擬信號(hào)的參考地，整個(gè)系統(tǒng)的模擬地應(yīng)該盡量靠近這些管腳。數(shù)字地（DRGND）用做芯片數(shù)字部分對(duì)地電流的回路。在模擬電源和模擬地之間應(yīng)該用4組旁路電路隔離開（每組有2個(gè)0．001μF和0．1μF的電容），在數(shù)字電源和數(shù)字地之間用3組旁路電路隔離開（每組有22個(gè)0．001μF和0．1μF的電容）。

　　3．4工作時(shí)序

　　AD9238的數(shù)據(jù)輸出會(huì)有7個(gè)時(shí)鐘周期的流水線延遲，如圖3所示。開始采樣后前7個(gè)數(shù)據(jù)是無(wú)用的，應(yīng)該在后端數(shù)字信號(hào)處理時(shí)舍棄掉。

　　AD9238兩個(gè)通道的12 b數(shù)字信號(hào)輸出（D0＿A－D11＿A和D0＿B－D11＿B）是獨(dú)立的。一般情況下，他們各自獨(dú)立的輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)把AD9238兩個(gè)通道的時(shí)鐘輸入CLK＿A，CLK＿B和管腳MUX＿SELECT連接在一起時(shí)，系統(tǒng)處于單通道輸出工作狀態(tài)。此時(shí)當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分別送給各自對(duì)應(yīng)的通道；當(dāng)時(shí)鐘下降沿到來(lái)時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分別送給相反的通道。這樣在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，數(shù)據(jù)結(jié)果可以從一個(gè)通道輸出，另外一個(gè)不用的輸出通道可以通過(guò)管腳OEB＿A（或OEB＿B）關(guān)閉掉。可以看到，這時(shí)數(shù)據(jù)率是采樣率的2倍。

　　3．5　數(shù)字輸出數(shù)據(jù)格式

　　AD8138輸出數(shù)據(jù)為TTL/CMOS兼容電平（可以設(shè)置成2.5V或者3.3V），通過(guò)設(shè)置DFS可以使AD8138輸出數(shù)據(jù)格式為偏移二進(jìn)制碼（DFS接AGND）或者是二進(jìn)制補(bǔ)碼（DFS接AVDD）。

　　另外，管腳OTR＿A和OTR＿B為溢出標(biāo)志位，當(dāng)某個(gè)通道的輸入模擬信號(hào)幅度超出范圍，對(duì)應(yīng)通道的溢出標(biāo)志位會(huì)輸出高電平。

　　3．6　電壓參考

　　AD8238內(nèi)部有一個(gè)穩(wěn)定精確的0．5 V電壓參考。調(diào)整AD9238的參考電壓可以改變輸入信號(hào)范圍，調(diào)整的方法有2種：內(nèi)部參考和外部參考。輸入范圍根據(jù)參考電壓的改變做線性變化。當(dāng)把SENSE（第9腳）接地時(shí)，VREF 被設(shè)置成1 V，此時(shí)器件采用內(nèi)部參考，輸入信號(hào)范圍為2Vp-p。有關(guān)管腳的接法如圖4所示。

　　當(dāng)把SENSE（第9腳）直接與VREF管腳連接時(shí)，輸入信號(hào)范圍為1Vp-p當(dāng)在SENSE管腳、VREF管腳和模擬地三者之間串接2個(gè)電阻R1和R2時(shí)，輸入信號(hào)范圍為可改變的，即VREF＝0．5×（1＋R2/R1）。上述兩種情況都屬于內(nèi)部電壓參考。

　　當(dāng)把SENSE管腳接到AVDD時(shí)，內(nèi)部參考無(wú)效，采用外部電壓參考。這種情況使用不多，不再做詳細(xì)介紹。

　　在設(shè)置電壓參考時(shí)，主要是改變SENSE管腳的接法，REFT和REFB管腳的接法如圖4所示。值得注意的是，AD8238對(duì)每個(gè)通道都提供了電壓參考，如果采用共享電壓參考模式可以取得較好的性能。此時(shí)需要把SHARED＿REF管腳（第62腳）接高電平，2個(gè)通道的REFT和REFB管腳互相連接（即REFT＿A接REFT＿B，REFB＿A接REFB＿B），他們各自的去耦和隔離電容接法仍同圖4所示。

　　4　AD9238設(shè)計(jì)實(shí)例

　　AD9238在通信接收機(jī)的射頻采樣中有很好的應(yīng)用，現(xiàn)介紹一個(gè)在通信I/Q兩路數(shù)據(jù)采集中的具體設(shè)計(jì)實(shí)例。

　　如圖5所示，該數(shù)據(jù)采集電路由時(shí)鐘電路、運(yùn)放驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA電路組成。FPGA主要完成和DSP芯片之間數(shù)據(jù)的緩沖、轉(zhuǎn)換及傳遞，利用握手信號(hào)實(shí)現(xiàn)異步通信。該電路工作在2Vp-p差分工作模式，采用內(nèi)部電壓參考，最高采樣頻率可達(dá)40 MS/s。下面主要對(duì)運(yùn)放驅(qū)動(dòng)電路和A/D轉(zhuǎn)換電路做詳細(xì)的介紹。

　　4．1　運(yùn)放驅(qū)動(dòng)電路

　　AD9238兩個(gè)通道分別采用一個(gè)AD8138做為運(yùn)放驅(qū)動(dòng)芯片。I/Q兩路中頻模擬信號(hào)分別經(jīng)過(guò)2個(gè)AD8138變?yōu)椴罘中盘?hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器（第2，3，14，15管腳）。圖6給出了其中一路的具體電路圖，另一路與此基本相同。

　　4．2　A/D轉(zhuǎn)換電路

　　該部分電路是整個(gè)數(shù)據(jù)采集電路的核心，下面僅就原理圖設(shè)計(jì)的有關(guān)重要管腳進(jìn)行說(shuō)明，PCB設(shè)計(jì)不做詳細(xì)討論。

　　4．2．1　輸入信號(hào)

　　包括模擬輸入（管腳2，3，14，15）和時(shí)鐘輸入（管腳18，63），其中時(shí)鐘輸入由外部供給可調(diào)的時(shí)鐘，經(jīng)過(guò)反 相器后送給A/D轉(zhuǎn)換器。

　　另外還有2個(gè)通道的輸出使能（管腳22，59），由FPGA提供，低電平有效，可以根據(jù)通信系統(tǒng)需要控制A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)的開始或者停止采樣。

　　4．2．2　電壓參考

　　包括的主要管腳是第6，7，8，9，10，11，62個(gè)管腳，在3．6中已經(jīng)對(duì)這些管腳的接法做了詳細(xì)的討論。該數(shù)據(jù)采集電路板采用2 VP－P差分工作模式，使用內(nèi)部電壓參考，兩通道工作在共享電壓參考模式。

　　4．2．3　電源和地

　　AD9238有4組模擬電源和模擬地管腳（第5，12，17，64為AVDD，第1，4，13，16為AGND）、3組數(shù)字電源和數(shù)字地管腳（第29，49，52為DRVDD，第28，40，53為DRGND），他們的具體接法見3．3說(shuō)明。值得注意的是，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，電路的模擬部分（模擬電源、模擬地等）和數(shù)字部分（數(shù)字電源、數(shù)字地等）應(yīng)該分開布局，然后把模擬地和數(shù)字地單點(diǎn)連接。

　　4．2．4　輸出信號(hào)

　　轉(zhuǎn)換后得到12位I/Q兩路的數(shù)字信號(hào)（D0＿A－D11＿A和D0＿B－D11＿B）分為2個(gè)通道輸出給FPGA。溢出標(biāo)志（OTR＿A和OTR＿B）為高電平有效，可外接一發(fā)光二級(jí)管做為電路溢出指示燈。

　　4．3　電路測(cè)試方法

　　在電路板設(shè)計(jì)制作完成后要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，圖7為該數(shù)據(jù)采集板的測(cè)試連接圖。

　　采用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和模擬信號(hào)（2個(gè)通道共用）提供給試驗(yàn)板，這樣可以方便地對(duì)不同頻率和幅度的信號(hào)進(jìn)行調(diào)試；穩(wěn)壓電源分別給電路板提供模擬電源和數(shù)字電源；邏輯分析儀在讀時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下讀取采集到的兩路12 b數(shù)字信號(hào)，導(dǎo)出后可在電腦上進(jìn)行分析計(jì)算。

　　4．4　測(cè)試結(jié)果

　　衡量A/D轉(zhuǎn)換器最重要的指標(biāo)是有效位數(shù)和采樣頻率。

　　測(cè)試有效位數(shù)的方法是：由邏輯分析儀采集到每個(gè)通道的8192點(diǎn)12 b二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中；運(yùn)用Matlab軟件分析其頻譜，計(jì)算出信噪比和信納比。然后根據(jù)信納比（SINAD）計(jì)算出有效位數(shù)，有效位數(shù)：

　　SNOB＝（SINAD－1．74）dB/6．02。　　

　　其中：SINAD＝信號(hào)功率/其他頻譜成分功率和（包括諧波，不包括直流）。

　　根據(jù)上述方法，對(duì)基于AD9238-40 的數(shù)據(jù)采集電路板進(jìn)行了測(cè)試，在采樣頻率為40 MS/s和10 MS/s時(shí)僅就單個(gè)通道進(jìn)行了測(cè)試，得出的結(jié)果如圖8所示。

　　從圖8的2個(gè)頻譜圖可以看到，在上述兩種采樣頻率下,AD9238-40的信噪比可以達(dá)到70 dB以上，有效位數(shù)可以達(dá)到11 b以上，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8　兩種采樣頻率下的2個(gè)頻譜圖

　　限于篇幅，僅給出了單個(gè)通道的測(cè)試結(jié)果，有關(guān)雙通道之間幅相一致性測(cè)試、串?dāng)_測(cè)試等對(duì)系統(tǒng)整體影響不大，所以不做詳細(xì)討論。

　　5　　結(jié)語(yǔ)　　

　　本文對(duì)雙通道高速A／D轉(zhuǎn)換器AD9238的原理和應(yīng)用做了介紹。可以看到，在雙通道或多通道數(shù)據(jù)采集電路應(yīng)用中，AD9238是非常有用的。相對(duì)于采用單通道A／D轉(zhuǎn)換器的電路來(lái)說(shuō)，AD9238具有功耗低、尺寸小、雙通道幅相一致性好等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，而且AD9238還具有同樣優(yōu)異的SNR和SFDR性能。

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