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)字轉換器（ADC），AD9231 這款芯片引起了我的注意，下面就跟大家詳細分享一下這款芯片的特點、性能以及使用中的一些注意事項。

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，適用于多種應用場景，如通信、雷達、醫(yī)療成像等領域。

芯片特性亮點

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，SNR 可達 71.3 dBFS，SFDR 可達 93 dBc；在 200 MHz 輸入時，SNR 為 69.0 dBFS，SFDR 為 83 dBc。這使得它在處理高頻信號時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，SNR 可達 71.3 dBFS，SFDR 可達 93 dBc；在 200 MHz 輸入時，SNR 為 69.0 dBFS，SFDR 為 83 dBc。這使得它在處理高頻信號時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 性能的關鍵指標。高 SNR 意味著 ADC 能夠更準確地將模擬信號轉換為數(shù)字信號，減少噪聲對信號的干擾。在實際應用中，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，能夠在復雜的電磁環(huán)境中準確地接收和處理信號。

低功耗設計

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

靈活的時鐘輸入

• 多種時鐘信號支持：AD9231 的時鐘輸入可以是 CMOS、LVDS、LVPECL 或正弦波信號，這為工程師在設計系統(tǒng)時提供了更多的選擇，可以根據(jù)實際需求靈活配置時鐘源。
• 時鐘分頻和同步功能：內(nèi)部集成了輸入時鐘分頻器，可將輸入時鐘進行 1 - 8 的整數(shù)分頻。通過外部 SYNC 輸入，還能實現(xiàn)時鐘分頻器的同步，確保多個 ADC 的輸入采樣同步，滿足多通道應用的需求。
• 時鐘占空比穩(wěn)定器（DCS）：該功能可對時鐘的非采樣（下降）沿進行重新定時，提供標稱 50% 占空比的內(nèi)部時鐘信號，使得用戶可以提供較寬范圍的時鐘輸入占空比，而不會影響 AD9231 的性能。不過，需要注意的是，DCS 對時鐘上升沿的抖動改善有限，且在時鐘頻率低于 20 MHz 時，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制、格雷碼或二進制補碼，方便與不同的數(shù)字系統(tǒng)進行接口。通過設置 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)字數(shù)據(jù)路徑進行全面測試。在復位后執(zhí)行 BIST 測試，將內(nèi)部偽隨機噪聲（PN）源的數(shù)據(jù)通過數(shù)字數(shù)據(jù)路徑，最后通過 CRC 邏輯計算簽名并與預設值比較，判斷測試是否通過。這有助于工程師快速驗證芯片的完整性，進行板級調(diào)試。
• 輸出測試模式：提供多種輸出測試選項，可將可預測的值置于 AD9231 的輸出端。在啟用輸出測試模式時，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行，但需要編碼時鐘。

應用領域廣泛

AD9231 的高性能和靈活性使其在多個領域得到廣泛應用：

• 通信領域：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 等通信標準，以及 I/Q 解調(diào)系統(tǒng)和智能天線系統(tǒng)。
• 儀器儀表領域：可用于電池供電的儀器，如手持示波器，以及便攜式醫(yī)療成像設備，如超聲設備等。
• 雷達/LIDAR 領域：能夠滿足雷達和激光雷達系統(tǒng)對高速、高精度數(shù)據(jù)采集的需求。

設計注意事項

在使用 AD9231 進行設計時，需要注意以下幾點：

• 電源和接地：建議使用兩個獨立的電源，一個 1.8 V 用于模擬供電（AVDD），另一個 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濾波扼流圈以及獨立的去耦電容進行隔離。同時，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。
• 時鐘輸入：時鐘信號應作為模擬信號處理，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鐘源，如果時鐘是通過其他方式生成的，應在最后一步由原始時鐘進行重新定時。
• SPI 接口：在需要 ADC 發(fā)揮全動態(tài)性能時，SPI 接口不應處于活動狀態(tài)，因為 SCLK、CSB 和 SDIO 信號通常與 ADC 時鐘異步，其噪聲可能會降低轉換器的性能。如果 SPI 總線還用于其他設備，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鍵采樣期間在轉換器輸入處發(fā)生轉換。

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