AD9218 10位雙路模數(shù)轉(zhuǎn)換器：高性能與低功耗的完美結(jié)合

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，我們就來深入探討一款高性能的雙路模數(shù)轉(zhuǎn)換器——AD9218。

文件下載：AD9218.pdf

一、AD9218 簡(jiǎn)介

AD9218 是一款雙 10 位單片采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)集成了跟蹤保持電路。它具有低成本、低功耗、體積小且易于使用的特點(diǎn)，在整個(gè)工作范圍內(nèi)以 105 MSPS 的轉(zhuǎn)換速率運(yùn)行，同時(shí)具備出色的動(dòng)態(tài)性能，每個(gè)通道可獨(dú)立工作。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

2.1 低功耗設(shè)計(jì)

AD9218 每個(gè)通道在 105 MSPS 時(shí)僅消耗 275 mW 功率，其他速度等級(jí)在保持高交流性能的同時(shí)，功耗也按比例降低。這種低功耗特性使得它在電池供電的設(shè)備中具有顯著優(yōu)勢(shì)，比如電池供電的儀器和手持示波器等。

2.2 引腳兼容升級(jí)

該器件與 8 位 AD9288 雙 ADC 引腳兼容，這為工程師從 8 位設(shè)備向 10 位設(shè)備的遷移提供了極大的便利，降低了設(shè)計(jì)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 易于使用

片內(nèi)集成了參考電路和用戶控制功能，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了靈活性。工程師可以根據(jù)具體需求進(jìn)行配置，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的要求。

2.4 高性能表現(xiàn)

在奈奎斯特輸入下，105 MSPS 時(shí)仍能保持 54 dB 的 SNR（信噪比），并且通道串?dāng)_極低，僅為 -75 dBc，確保了信號(hào)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.5 先進(jìn)工藝與封裝

采用先進(jìn)的 CMOS 工藝制造，采用 48 引腳低外形四方扁平封裝（7 mm × 7 mm LQFP），適用于工業(yè)溫度范圍（-40°C 至 +85°C），具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。

三、技術(shù)參數(shù)詳解

3.1 直流參數(shù)

• 分辨率：10 位，能夠提供較高的轉(zhuǎn)換精度。
• 精度：包括偏移誤差、增益誤差、差分非線性（DNL）和積分非線性（INL）等指標(biāo)，在不同溫度和輸入范圍內(nèi)都有嚴(yán)格的保證。例如，在 25°C 時(shí)，偏移誤差在 -18 至 18 LSB 之間，增益誤差在 -2% 至 8% FS 之間。
• 參考電壓：內(nèi)部參考電壓（REFOUT）在 25°C 時(shí)為 1.18 至 1.28 V，輸入電阻為 9 至 13 kΩ。
• 模擬輸入：每個(gè)通道的差分輸入電壓范圍為 1 V 或 2 V p-p，輸入電阻為 8 至 14 kΩ，輸入電容為 3 pF。
• 電源：采用 3.0 V（2.7 V 至 3.6 V）單電源供電，電源電流和功耗在不同速度等級(jí)下有相應(yīng)的規(guī)定。

3.2 數(shù)字參數(shù)

• 數(shù)字輸入：編碼輸入的共模電壓為 VD/2，編碼 1 電壓為 2 V，編碼 0 電壓為 0.8 V，輸入電阻為 1.8 至 2.3 kΩ。
• 數(shù)字輸出：邏輯 1 電壓為 2.45 V，邏輯 0 電壓為 0.05 V，輸出編碼支持二進(jìn)制補(bǔ)碼或偏移二進(jìn)制格式。

3.3 交流參數(shù)

• 動(dòng)態(tài)性能：包括信噪比（SNR）、信噪失真比（SINAD）、有效位數(shù)（ENOB）、諧波失真等指標(biāo)。例如，在 fIN = 10.3 MHz 時(shí)，SNR 可達(dá) 58/55 dB 至 59/57 dB。
• 模擬帶寬：全功率模擬帶寬為 300 MHz，能夠處理較高頻率的信號(hào)。
• 串?dāng)_：通道間串?dāng)_為 -75 dBc，保證了通道間的獨(dú)立性和信號(hào)質(zhì)量。

3.4 開關(guān)參數(shù)

• 編碼輸入?yún)?shù)：最大編碼速率為 40/65/80/105 MSPS，最小編碼速率為 20 MSPS，編碼脈沖寬度高和低分別為 7/6 ns 至 5/3.8 ns 不等。
• 數(shù)字輸出參數(shù)：輸出有效時(shí)間為 2.5 ns，輸出傳播延遲為 4.5 至 7 ns，輸出上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為 1 ns 和 1.2 ns。

四、工作原理與使用要點(diǎn)

4.1 工作原理

AD9218 采用逐位流水線型轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，利用開關(guān)電容技術(shù)。前級(jí)確定 7 個(gè)最高有效位（MSB），并驅(qū)動(dòng)一個(gè) 3 位閃存。每個(gè)階段提供足夠的重疊和誤差校正，優(yōu)化了比較器的精度。輸入緩沖器為差分結(jié)構(gòu)，兩組輸入均內(nèi)部偏置，支持交流耦合或直流耦合、差分或單端輸入模式。輸出級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊、誤差校正，并將數(shù)據(jù)饋送到輸出緩沖器，輸出緩沖器由獨(dú)立電源供電，可調(diào)整輸出電壓擺幅。

4.2 編碼輸入

高速 ADC 對(duì)用戶提供的采樣時(shí)鐘質(zhì)量極為敏感。AD9218 的編碼輸入完全兼容 TTL/CMOS 電平，設(shè)計(jì)時(shí)需精心考慮時(shí)鐘源，以避免時(shí)鐘噪聲、失真或時(shí)序抖動(dòng)對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響。

4.3 數(shù)字輸出

數(shù)字輸出兼容 TTL/CMOS 電平，可降低功耗。在掉電模式下，輸出緩沖器進(jìn)入高阻狀態(tài)。數(shù)據(jù)格式選擇選項(xiàng)支持二進(jìn)制補(bǔ)碼（置高）或偏移二進(jìn)制（置低）輸出格式。

4.4 模擬輸入

模擬輸入為差分緩沖結(jié)構(gòu)，為獲得最佳動(dòng)態(tài)性能，AIN 和 (overline{A_{IN}}) 的阻抗應(yīng)匹配。設(shè)計(jì)時(shí)采取了特殊措施，防止輸入過驅(qū)動(dòng)時(shí)造成損壞和數(shù)據(jù)丟失。標(biāo)稱輸入范圍為 1.024 V p-p，差分驅(qū)動(dòng)可最小化共模噪聲并降低偶次諧波，提高性能。

4.5 電壓參考

AD9218 內(nèi)置穩(wěn)定準(zhǔn)確的 1.25 V 電壓參考（VREF OUT）。通常，通過將引腳 5（REFINA）和引腳 7（REFINB）連接到引腳 6（REFOUT）來使用內(nèi)部參考。每個(gè)通道的輸入范圍可通過調(diào)整施加到 AD9218 的參考電壓輸入進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整，參考電壓調(diào)整 ±5% 時(shí)，性能無(wú)明顯下降，ADC 的滿量程范圍隨參考電壓線性變化。

4.6 時(shí)序

AD9218 提供鎖存數(shù)據(jù)輸出，有 5 個(gè)流水線延遲。數(shù)據(jù)輸出在編碼命令上升沿后一個(gè)傳播延遲（tpd）可用。為減少 AD9218 內(nèi)的瞬態(tài)干擾，應(yīng)盡量縮短輸出數(shù)據(jù)線長(zhǎng)度并減小負(fù)載，因?yàn)檫@些瞬態(tài)干擾會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)性能。最小保證轉(zhuǎn)換速率為 20 MSPS，時(shí)鐘速率低于 20 MSPS 時(shí)，動(dòng)態(tài)性能會(huì)下降。

4.7 用戶選擇選項(xiàng)

通過兩個(gè)引腳可實(shí)現(xiàn)多種操作模式組合，用戶可對(duì)兩個(gè)通道（不包括參考）或僅 B 通道進(jìn)行掉電操作，這兩種模式都會(huì)使輸出緩沖器進(jìn)入高阻狀態(tài)。掉電狀態(tài)恢復(fù)需在通電后 10 個(gè)時(shí)鐘周期完成。此外，還可將 B 通道輸出數(shù)據(jù)偏移半個(gè)時(shí)鐘周期，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)齊功能。

五、應(yīng)用領(lǐng)域

5.1 電池供電儀器

低功耗特性使 AD9218 非常適合電池供電的儀器，如手持示波器和電池供電的測(cè)試設(shè)備等，能夠延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。

5.2 低成本數(shù)字示波器

其高性能和低功耗的特點(diǎn)，為低成本數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)提供了有力支持，可在保證性能的同時(shí)降低成本。

5.3 I 和 Q 通信

在通信領(lǐng)域，AD9218 可用于 I 和 Q 解調(diào)，直接中頻采樣技術(shù)的應(yīng)用能夠消除或簡(jiǎn)化模擬混頻器和濾波器級(jí)，降低系統(tǒng)成本和功耗。

5.4 超聲設(shè)備

超聲設(shè)備對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度和速度有較高要求，AD9218 的高性能和低功耗特性使其成為超聲設(shè)備中模數(shù)轉(zhuǎn)換的理想選擇。

六、評(píng)估板使用說明

6.1 基本信息

AD9218/AD9288 客戶評(píng)估板為測(cè)試 AD9218 或 AD9288 提供了便捷的方式。由于兩者引腳兼容，一塊 PCB 可用于測(cè)試這兩種器件。評(píng)估板需要電源、時(shí)鐘源和濾波后的模擬源進(jìn)行 ADC 測(cè)試。

6.2 電源連接

通過可拆卸的 12 引腳電源條為評(píng)估板供電，運(yùn)行評(píng)估板所需的最低 3 V 電源為 (V{D})、(V{DL}) 和 (V_{DD})。若使用可選放大器路徑，則需要 ±5 V 電源。

6.3 模擬輸入

每個(gè)通道有獨(dú)立的模擬路徑，使用寬帶變壓器從輸入 SMA 的單端正弦源差分驅(qū)動(dòng) ADC?？赏ㄟ^簡(jiǎn)單的板級(jí)修改繞過變壓器路徑，使用兩個(gè) AD8138 運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)直流耦合路徑。模擬輸入應(yīng)進(jìn)行帶通濾波，以去除輸入信號(hào)中的諧波并最小化混疊。

6.4 電壓參考

AD9218 內(nèi)置 1.25 V 電壓參考，也可通過在電源連接器處連接兩個(gè)外部電壓參考并設(shè)置 E18 和 E19 跳線來使用外部參考。評(píng)估板出廠時(shí)配置為內(nèi)部參考模式。

6.5 時(shí)鐘

每個(gè)通道可通過 SMA 輸入 ENCODE A 和 ENCODE B 的公共時(shí)鐘輸入進(jìn)行時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，也可通過簡(jiǎn)單的板級(jí)修改獨(dú)立時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。為獲得最佳性能，時(shí)鐘輸入應(yīng)為低抖動(dòng)正弦源。

6.6 數(shù)據(jù)輸出

數(shù)據(jù)輸出通過兩個(gè) 10 位鎖存器在板上鎖存，并驅(qū)動(dòng)一個(gè) 8 引腳連接器，該連接器與 Analog Devices 提供的雙通道 FIFO 板兼容。結(jié)合 ADC 分析軟件，可大大簡(jiǎn)化 ADC 測(cè)試。

6.7 數(shù)據(jù)格式/增益

可通過位于 S1、S2 跳線處的 DFS 跳線對(duì) DFS/GAIN 引腳進(jìn)行偏置，以實(shí)現(xiàn)所需的操作。

6.8 時(shí)序控制

若需要，可在 PCB 上控制每個(gè)通道的時(shí)序。必要時(shí)，可對(duì)鎖存器處的時(shí)鐘信號(hào)或輸出 80 引腳連接器的數(shù)據(jù)就緒信號(hào)進(jìn)行反相。跳線還可用于對(duì)引腳 S1 和引腳 S2 進(jìn)行偏置，以實(shí)現(xiàn)掉電和時(shí)序?qū)R控制。

6.9 故障排除

若評(píng)估板工作不正常，可按以下步驟排查：

• 驗(yàn)證 IC 引腳的電源。
• 檢查所有跳線是否處于所需操作模式的正確位置。
• 驗(yàn)證 (VREF) 是否為 1.23 V。
• 嘗試以低速（20 MSPS/1 MHz）運(yùn)行編碼時(shí)鐘和模擬輸入，并監(jiān)控 LCX821 輸出、DAC 輸出和 ADC 輸出是否有切換。

七、總結(jié)

AD9218 以其低功耗、高性能、易于使用等特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。無(wú)論是電池供電的設(shè)備，還是通信和超聲等對(duì)性能要求較高的應(yīng)用，AD9218 都能提供可靠的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，可以充分利用其特性和優(yōu)勢(shì)，打造出更加優(yōu)秀的產(chǎn)品。你在使用 AD9218 或其他類似 ADC 時(shí)，遇到過哪些有趣的問題或挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。