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

　　 AD9238是美國模擬器件公司（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)動運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，采樣率最高分別可達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)異的動態(tài)性能，但是比使用2個單通道A/D轉(zhuǎn)換器具有更好的抗串?dāng)_性能。

　　AD9238三種型號的功耗分別為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），非常適合在對尺寸要求嚴格的場合中使用。

　　1　　AD9238的主要特點：

　　集成了2個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,AD9238-65,此值為典型值）;RSFD＝85 dBc（最高采樣頻率時,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)格式為偏移二進制碼或者是二進制補碼;AD9238-65還帶有片上時鐘占空比調(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)及原理說明

　　如圖1所示，AD9238由2個基于AD9235轉(zhuǎn)換器核的高性能A/D轉(zhuǎn)換器組成。這2個ADC通道除了共用內(nèi)部的電壓參考源VREF，其他基本是獨立的。每個ADC通道都包含有1個前端采樣保持放大器（SHA）和1個流水線ADC。該流水線ADC分為三級，第一級是1個4 b的閃速（Flash）ADC，第二級是8個1．5 b的閃速ADC，第三級是1個4 b的閃速ADC。每一級都提供有充分的位數(shù)重疊來糾正前一級的錯誤，每級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)允許前一級在完成某一采樣工作后進行新的采樣，而后一級仍在進行先前的采樣工作。

　　流水線的每一級（除了最后一級）都有一個低位數(shù)的DAC和一個乘法器來驅(qū)動下一級。乘法器用閃速ADC的輸出來控制開關(guān)電容DAC。DAC的輸出減去輸入信號再經(jīng)放大后送入下一級流水線，乘法器這一級也叫做乘法DAC（MDAC）。每一級有1 b用來對前一級的錯誤進行數(shù)字校正。最后一級只包括一個閃速ADC。沖器。輸出緩沖器單獨供電，這樣可以方便地對輸出電壓進行調(diào)節(jié)。AD9238有64個管腳，管腳分布如圖2所示。

　　3　　AD9238應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

　　A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用屬于數(shù)字模擬混合電路設(shè)計，以下對AD9238應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計時需要重點考慮的幾個問題進行詳細論述。

　　3.1　　模擬輸入

　　AD9238的模擬輸入端（管腳2，3，14，15）是一個差分開關(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。

　　SHA電路根據(jù)時鐘信號選擇處于采樣模式或者是保持模式。在SHA電路的每個輸入端串接一個小的電阻可以減小從輸出級驅(qū)動源產(chǎn)生的瞬時峰值電流，并接一個電容可以提供動態(tài)負載電流。這個無源網(wǎng)絡(luò)組成了一個輸入低通濾波器?！　?

　　REFT和REFB分別提供了內(nèi)部正負差分電壓參考。 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(2Vp-p模式時），可以獲得最大的RSN（信噪比）性能，當(dāng)工作在1Vp-p模式時，RSN會下降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，會有比較好的性能。這時建議采用AD公司的差分運放AD8138作為ADC的驅(qū)動芯片。當(dāng)AD9238工作在單端輸入模式時，ADC的性能會有所下降（如SFDR和SNR指標(biāo)），但是比較適合低成本的應(yīng)用，這時還是可以保證比較好的性能。

　　3．2時鐘信號

　　高速的ADC對時鐘的占空比很敏感，一般來說需要有50％（±5％）的占空比。AD9238給每個通道單獨提供時鐘（管腳CLK＿A和CLK＿B），當(dāng)2個通道的采樣時鐘同頻同相時會有比較好的性能，當(dāng)2個通道不同步時性能會有所下降。

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

　　時鐘信號的電源驅(qū)動應(yīng)該和輸出數(shù)字信號驅(qū)動分開，以避免混入數(shù)字噪聲。時鐘信號的孔徑抖動對ADC的性能影響較大，所以最好采用抖動比較小的晶振作為時鐘源。

　　AD9238三種信號的最高時鐘頻率分別為20 MS/s，40 MS/s和65 MS/s，最低的時鐘頻率都為1 MS/s，當(dāng)時鐘頻率低于1 MS/s時動態(tài)性能會下降。

　　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個管腳）和數(shù)字電源（DRVDD，共3個管腳）。每個通道可以獨立地工作在休眠模式（通過使能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）用作模擬信號的參考地，整個系統(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0．001μF和0．1μF的電容）。

　　3．4工作時序

　　AD9238的數(shù)據(jù)輸出會有7個時鐘周期的流水線延遲，如圖3所示。開始采樣后前7個數(shù)據(jù)是無用的，應(yīng)該在后端數(shù)字信號處理時舍棄掉。

　　AD9238兩個通道的12 b數(shù)字信號輸出（D0＿A－D11＿A和D0＿B－D11＿B）是獨立的。一般情況下，他們各自獨立的輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)把AD9238兩個通道的時鐘輸入CLK＿A，CLK＿B和管腳MUX＿SELECT連接在一起時，系統(tǒng)處于單通道輸出工作狀態(tài)。此時當(dāng)時鐘上升沿到來時，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分別送給各自對應(yīng)的通道；當(dāng)時鐘下降沿到來時，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)分別送給相反的通道。這樣在一個時鐘周期內(nèi)，數(shù)據(jù)結(jié)果可以從一個通道輸出，另外一個不用的輸出通道可以通過管腳OEB＿A（或OEB＿B）關(guān)閉掉。可以看到，這時數(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），通過設(shè)置DFS可以使AD8138輸出數(shù)據(jù)格式為偏移二進制碼（DFS接AGND）或者是二進制補碼（DFS接AVDD）。

　　另外，管腳OTR＿A和OTR＿B為溢出標(biāo)志位，當(dāng)某個通道的輸入模擬信號幅度超出范圍，對應(yīng)通道的溢出標(biāo)志位會輸出高電平。

　　3．6　電壓參考

　　AD8238內(nèi)部有一個穩(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，VREF 被設(shè)置成1 V，此時器件采用內(nèi)部參考，輸入信號范圍為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，輸入信號范圍為1Vp-p當(dāng)在SENSE管腳、VREF管腳和模擬地三者之間串接2個電阻R1和R2時，輸入信號范圍為可改變的，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，內(nèi)部參考無效，采用外部電壓參考。這種情況使用不多，不再做詳細介紹。

　　在設(shè)置電壓參考時，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對每個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。此時需要把SHARED＿REF管腳（第62腳）接高電平，2個通道的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)計實例

　　AD9238在通信接收機的射頻采樣中有很好的應(yīng)用，現(xiàn)介紹一個在通信I/Q兩路數(shù)據(jù)采集中的具體設(shè)計實例。

　　如圖5所示，該數(shù)據(jù)采集電路由時鐘電路、運放驅(qū)動電路、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，利用握手信號實現(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40 MS/s。下面主要對運放驅(qū)動電路和A/D轉(zhuǎn)換電路做詳細的介紹。

　　4．1　運放驅(qū)動電路

　　AD9238兩個通道分別采用一個AD8138做為運放驅(qū)動芯片。I/Q兩路中頻模擬信號分別經(jīng)過2個AD8138變?yōu)椴罘中盘査徒oA/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

　　該部分電路是整個數(shù)據(jù)采集電路的核心，下面僅就原理圖設(shè)計的有關(guān)重要管腳進行說明，PCB設(shè)計不做詳細討論。

　　4．2．1　輸入信號

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

　　另外還有2個通道的輸出使能（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)換器實時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個管腳，在3．6中已經(jīng)對這些管腳的接法做了詳細的討論。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說明。值得注意的是，在進行PCB設(shè)計時，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)字地單點連接。

　　4．2．4　輸出信號

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

　　4．3　電路測試方法

　　在電路板設(shè)計制作完成后要對其進行測試，圖7為該數(shù)據(jù)采集板的測試連接圖。

　　采用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生時鐘信號和模擬信號（2個通道共用）提供給試驗板，這樣可以方便地對不同頻率和幅度的信號進行調(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；邏輯分析儀在讀時鐘驅(qū)動下讀取采集到的兩路12 b數(shù)字信號，導(dǎo)出后可在電腦上進行分析計算。

　　4．4　測試結(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。

　　測試有效位數(shù)的方法是：由邏輯分析儀采集到每個通道的8192點12 b二進制補碼數(shù)據(jù)，導(dǎo)入計算機中；運用Matlab軟件分析其頻譜，計算出信噪比和信納比。然后根據(jù)信納比（SINAD）計算出有效位數(shù)，有效位數(shù)：

　　SNOB＝（SINAD－1．74）dB/6．02?！　?

　　其中：SINAD＝信號功率/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，對基于AD9238-40 的數(shù)據(jù)采集電路板進行了測試，在采樣頻率為40 MS/s和10 MS/s時僅就單個通道進行了測試，得出的結(jié)果如圖8所示。

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

圖8　兩種采樣頻率下的2個頻譜圖

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

　　5　　結(jié)語　　

　　本文對雙通道高速A／D轉(zhuǎn)換器AD9238的原理和應(yīng)用做了介紹?？梢钥吹?，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。相對于采用單通道A／D轉(zhuǎn)換器的電路來說，AD9238具有功耗低、尺寸小、雙通道幅相一致性好等獨特的優(yōu)點，而且AD9238還具有同樣優(yōu)異的SNR和SFDR性能。

　　 參考文獻

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