AD9246：高性能14位ADC的深度剖析與應(yīng)用指南

在當(dāng)今的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）扮演著至關(guān)重要的角色。今天我們要深入探討的是Analog Devices推出的AD9246，一款14位、采樣率可達(dá)80 MSPS/105 MSPS/125 MSPS的高性能ADC。

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一、AD9246概述

AD9246是一款單芯片、單1.8 V電源供電的14位ADC，它集成了高性能的采樣保持放大器（SHA）和片上電壓基準(zhǔn)。采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)和輸出誤差校正邏輯，能在125 MSPS的數(shù)據(jù)速率下保證14位的精度，并且在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保證無(wú)漏碼。

（一）特性亮點(diǎn)

1. 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，具有出色的信噪比（SNR）和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。例如，在70 MHz輸入時(shí)，SNR可達(dá)71.7 dBc（72.7 dBFS），SFDR可達(dá)85 dBc。
2. 低功耗設(shè)計(jì)：在125 MSPS采樣率下，功耗僅為395 mW，適合對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。
3. 輸入靈活性：差分輸入帶寬達(dá)650 MHz，輸入范圍可在1 V p - p至2 V p - p之間靈活選擇，支持單端應(yīng)用。
4. 功能豐富：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、串行端口控制以及內(nèi)置可選數(shù)字測(cè)試模式生成等功能。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

AD9246廣泛應(yīng)用于超聲設(shè)備、通信接收機(jī)的中頻采樣、電池供電儀器、手持示波器和低成本數(shù)字示波器等領(lǐng)域。

二、技術(shù)規(guī)格詳解

（一）直流規(guī)格

在直流規(guī)格方面，AD9246的分辨率為14位，保證無(wú)漏碼。增益誤差和偏移誤差在不同采樣率下有明確的指標(biāo)，如在AD9246BCPZ - 125型號(hào)中，增益誤差在全溫度范圍內(nèi)為±0.3%至±0.8% FSR，偏移誤差為±0.6%至±4.2% FSR。內(nèi)部電壓基準(zhǔn)輸出電壓誤差在不同模式下有相應(yīng)的范圍，輸入?yún)⒖荚肼曉谔囟l件下也有明確的數(shù)值。

（二）交流規(guī)格

交流規(guī)格中，SNR、SINAD、ENOB等指標(biāo)隨著輸入頻率的變化而有所不同。例如，在2.4 MHz輸入頻率下，25°C時(shí)SNR可達(dá)71.9 dBc；在70 MHz輸入頻率下，25°C時(shí)SNR為71.7 dBc。SFDR在不同輸入頻率下也表現(xiàn)出色，如在70 MHz輸入時(shí)，SFDR可達(dá)85 dBc。

（三）數(shù)字規(guī)格

數(shù)字規(guī)格涵蓋了差分時(shí)鐘輸入、邏輯輸入和數(shù)字輸出等方面。差分時(shí)鐘輸入支持CMOS/LVDS/LVPECL等多種邏輯電平，輸入電壓范圍和輸入電流等參數(shù)都有明確的規(guī)定。數(shù)字輸出可根據(jù)DRVDD的不同設(shè)置不同的輸出電壓。

（四）開(kāi)關(guān)規(guī)格

開(kāi)關(guān)規(guī)格包括時(shí)鐘輸入?yún)?shù)和數(shù)據(jù)輸出參數(shù)。時(shí)鐘輸入?yún)?shù)如轉(zhuǎn)換速率、時(shí)鐘周期、時(shí)鐘脈沖寬度等，數(shù)據(jù)輸出參數(shù)如數(shù)據(jù)傳播延遲、DCO傳播延遲、建立時(shí)間和保持時(shí)間等都有詳細(xì)的指標(biāo)。

三、工作原理與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）架構(gòu)原理

AD9246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)處理之前的樣本，采樣發(fā)生在時(shí)鐘的上升沿。

（二）模擬輸入考慮

模擬輸入采用差分開(kāi)關(guān)電容SHA，在處理差分輸入信號(hào)時(shí)具有最佳性能。時(shí)鐘信號(hào)交替將SHA切換到采樣模式和保持模式，輸入信號(hào)源需在半個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)為采樣電容充電并穩(wěn)定。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。同時(shí)，為了獲得最佳動(dòng)態(tài)性能，驅(qū)動(dòng)VIN +和VIN -的源阻抗應(yīng)匹配，以減少共模失調(diào)誤差。

（三）電壓基準(zhǔn)

AD9246內(nèi)置穩(wěn)定準(zhǔn)確的電壓基準(zhǔn)，輸入范圍可通過(guò)改變施加到芯片的參考電壓進(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等，用戶可根據(jù)具體需求進(jìn)行選擇。

（四）時(shí)鐘輸入

為了獲得最佳性能，AD9246的采樣時(shí)鐘輸入（CLK +和CLK -）應(yīng)采用差分信號(hào)。時(shí)鐘輸入可以是CMOS、LVDS、LVPECL或正弦波信號(hào)，時(shí)鐘源的抖動(dòng)是關(guān)鍵因素。AD9246還內(nèi)置了占空比穩(wěn)定器（DCS），可在較寬的時(shí)鐘占空比范圍內(nèi)保持ADC的整體性能。

（五）功耗與待機(jī)模式

AD9246的功耗與采樣率成正比，數(shù)字功耗主要由數(shù)字驅(qū)動(dòng)器的強(qiáng)度和每個(gè)輸出位的負(fù)載決定。通過(guò)斷言PDWN引腳高電平，可將AD9246置于掉電模式，此時(shí)功耗僅為1.8 mW。在待機(jī)模式下，用戶可通過(guò)SPI端口接口保持內(nèi)部參考電路供電，以實(shí)現(xiàn)更快的喚醒時(shí)間。

（六）數(shù)字輸出

AD9246的輸出驅(qū)動(dòng)器可與1.8 V至3.3 V的邏輯系列接口，輸出數(shù)據(jù)格式可選擇偏移二進(jìn)制、二進(jìn)制補(bǔ)碼或格雷碼。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）條件，OR輸出會(huì)相應(yīng)變化。同時(shí)，AD9246具有三態(tài)能力，可通過(guò)OEB引腳控制輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器的使能。

四、SPI接口與配置

（一）SPI接口功能

AD9246的串行端口接口（SPI）允許用戶通過(guò)ADC內(nèi)部的結(jié)構(gòu)化寄存器空間對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行特定功能或操作的配置。通過(guò)SPI接口，用戶可以訪問(wèn)和修改寄存器，實(shí)現(xiàn)諸如設(shè)置電源模式、時(shí)鐘控制、偏移調(diào)整、測(cè)試模式設(shè)置等功能。

（二）配置方法

SPI接口由SCLK/DFS、SDIO/DCS和CSB三個(gè)引腳定義。SCLK/DFS用于同步讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，SDIO/DCS用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出，CSB用于控制讀寫(xiě)周期。在使用SPI接口時(shí)，通過(guò)特定的指令和數(shù)據(jù)傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的讀寫(xiě)操作。同時(shí)，當(dāng)不使用SPI接口時(shí)，部分引腳具有雙重功能，可作為獨(dú)立的CMOS兼容控制引腳。

五、布局考慮與評(píng)估板

（一）布局要點(diǎn)

在PCB布局時(shí)，建議使用兩個(gè)獨(dú)立的電源，分別為模擬（AVDD）和數(shù)字（DRVDD）供電。如果只有一個(gè)1.8 V電源，可通過(guò)鐵氧體磁珠或?yàn)V波扼流圈和去耦電容進(jìn)行隔離。同時(shí)，CML引腳應(yīng)通過(guò)0.1 μF電容接地，RBIAS引腳需連接一個(gè)10 kΩ電阻到地，VREF引腳應(yīng)通過(guò)低ESR電容進(jìn)行外部去耦。

（二）評(píng)估板介紹

AD9246評(píng)估板提供了所有必要的支持電路，可實(shí)現(xiàn)ADC的各種模式和配置。評(píng)估板可通過(guò)雙巴倫配置或AD8352差分驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)ADC，也可采用單端驅(qū)動(dòng)方式。評(píng)估板還配備了開(kāi)關(guān)電源，可提供6 V、2 A的最大輸出，同時(shí)可根據(jù)需要單獨(dú)為各個(gè)部分供電。在連接時(shí)鐘和模擬源時(shí)，應(yīng)使用低相位噪聲的信號(hào)發(fā)生器，并使用合適的濾波器對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。

六、總結(jié)與思考

AD9246作為一款高性能的14位ADC，具有豐富的功能和出色的性能指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，電子工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，合理選擇輸入配置、時(shí)鐘源和電源方案，同時(shí)注意PCB布局和信號(hào)處理，以充分發(fā)揮AD9246的優(yōu)勢(shì)。那么，在你的設(shè)計(jì)中，AD9246是否能滿足你的需求呢？你在使用類似ADC時(shí)遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。