超高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9224及其應(yīng)用

1 引言

　　AD9224是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的一種12位、40MSPS高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有片內(nèi)高性能采樣保持放大器和電壓參考。在單一＋5V電源下,它的功耗,僅有376mW,信噪比與失真度為±0．7dB。且具有信號(hào)溢出指示位,并可直接以二進(jìn)制形式輸出數(shù)據(jù)。AD9224采用多級(jí)差動(dòng)流水線式結(jié)構(gòu)對(duì)輸出錯(cuò)誤進(jìn)行邏輯糾正,以保證在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)不失碼。AD9224的接口十分方便,可廣泛應(yīng)用在圖象、通信系統(tǒng)以及醫(yī)療超聲波設(shè)備中。

　　2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳說明

　　AD9224是一種高性能、單一電源供電的12位ADC,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　AD9224的模擬輸入范圍非常靈活,可以是DC或AC耦合的單端或差分輸入。AD9224采用四級(jí)流水線式結(jié)構(gòu),并由一個(gè)寬頻輸入采樣保持放大器來實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)的CMOS流程。它的最后一級(jí)只包含一個(gè)閃爍式A／D,而其它三級(jí)都包含有連接到比較放大器MDAC的低分辨率閃爍式A／D。因而可用殘余放大器把重構(gòu)的DAC輸出和閃爍式A／D之間的差別放大以用于流水線的下一級(jí),每一級(jí)中冗余的一位用于錯(cuò)誤的數(shù)字糾正。流水線式結(jié)構(gòu)在同樣的流水線延遲與等待時(shí)間條件下可以有更大的通過率,也就是說當(dāng)轉(zhuǎn)換器在每個(gè)時(shí)鐘周期之中能撲捉一個(gè)新的采樣輸入時(shí),轉(zhuǎn)換的全部完成和數(shù)據(jù)輸出實(shí)際上花費(fèi)了三個(gè)時(shí)鐘周期。將數(shù)據(jù)溢出標(biāo)志位（OTR）及數(shù)字輸出鎖入輸出緩沖器可用來驅(qū)動(dòng)輸出管腳。

圖2為AD9224的引腳圖,各引腳功能說明如下：

　　1（CLK）：時(shí)鐘輸入;

　　2（BIT12）：數(shù)據(jù)輸出最低位LSB;

　　3～12（BIT11～2）：數(shù)據(jù)輸出;

　　13（BIT1）：數(shù)據(jù)輸出最高位MSB;　　

　　14（OTR）：數(shù)據(jù)溢出標(biāo)志位;

　　15、26（AVDD）：＋5V模擬電源;

　　16、25（AVSS）：模擬地;

　　17（SENSE）：參考選擇;

　　18（VREF）：輸入?yún)⒖歼x擇;

　　19（REFCOM）：通用參考（AVSS）;

　　20、21（CAPT、CAPB）：減噪管腳;

　　22（CML）：共模方式;

　　23（VINA）：模擬輸入（同相端）;

　　24（VINB）：模擬輸入（反相端）。

　　當(dāng)輸入超出輸入范圍時(shí),OTR位的相應(yīng)輸出結(jié)果如表1所列。

　　3 典型應(yīng)用

　　3.1 模擬輸入范圍

　　AD9224可以在內(nèi)部參考與外部參考方式下采用不同的電路設(shè)計(jì)來獲得靈活的模擬輸入范圍。其不同電路連接時(shí)的模擬輸入范圍見表2所列。

　　3.2 模擬輸入的驅(qū)動(dòng)電路

　　AD9224的高度靈活的輸入結(jié)構(gòu)使它可以與單端或差分輸入電路接口。其輸入范圍可參照表2。操作的最優(yōu)模式、模擬輸入的范圍以及相關(guān)接口電路應(yīng)由特定應(yīng)用的需要來決定。其直流耦合單端輸入多應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和成像技術(shù)的場(chǎng)合。同時(shí)在許多通訊應(yīng)用中,為進(jìn)行正確的檢波,也需要直流耦合輸入方式。圖3是一個(gè)AD9224應(yīng)用于交流耦合的單端輸入典型電路。

　　另外,單端操作往往受驅(qū)動(dòng)放大器的限制。在單端直流耦合應(yīng)用中,當(dāng)輸出接近正的輸出電壓限制時(shí),往往不能保持其低失真率。因此高性能直流耦合的輸入方式經(jīng)常要用到單端—差分電路。而單端操作則需要VINA與輸入信號(hào)源AC或DC耦合,同時(shí) VINB管腳則必須被偏置到適當(dāng)?shù)碾妷骸Ｈ绻麑INA、VINB的位置顛倒,則很容易產(chǎn)生信號(hào)的翻轉(zhuǎn)。VIN的輸入范圍比較靈活,由于VINA、 VINB及VCML與VREF相獨(dú)立,因此VREF可以被短接或重構(gòu)以獲取2～4V的輸入范圍。連接到CML上的對(duì)稱的R—C網(wǎng)絡(luò)可使AD9224有效地抑制電源偏差及噪聲。其中C1、C2的值依賴于電阻R的大小,C1、C2一般選用0．1μF的陶瓷電容和10μF的鉭電容相并聯(lián),以便在寬頻條件下保持低阻抗時(shí)獲取一個(gè)低截止點(diǎn)的頻率。RS對(duì)緩沖放大器和AD輸入起了孤立作用。

　　差分模式可在寬頻條件下提供最優(yōu)的THD（總諧波失真）和SFDR（無雜散信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍）性能（相對(duì)于單端輸入方式）,這在輸入頻率接近或遠(yuǎn)離 Nyquist頻率（fin＞Fs／2）時(shí)尤為顯著,一般可用于大多數(shù)需要基于光譜應(yīng)用的場(chǎng)合。差分方式要求VINA和VINB對(duì)稱驅(qū)動(dòng),也就是說兩個(gè)相同輸入信號(hào)在通過了連接到VINA、VINB的驅(qū)動(dòng)電路以后,其相位必須保持一致。AD9224的差分方式有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）信號(hào)擺幅更小,因此很容易達(dá)到對(duì)輸入信號(hào)的線形要求;

　?。?）由于信號(hào)擺幅更小,因此允許使用已另外被凈空高度限制強(qiáng)制的放大器;

　　（3）減少了偶次諧波分量;

　?。?）提高了對(duì)噪音的抗干擾能力。

　　圖4所示電路是一種直流耦合差分輸入的理想模式。在這種模式下,直流輸入將上升到關(guān)于參考電壓對(duì)稱擺動(dòng)的點(diǎn)上。R＋是一個(gè)可選電阻,當(dāng)需要的參考驅(qū)動(dòng)較多時(shí),它可以產(chǎn)生所需的電流。在應(yīng)用DC耦合的場(chǎng)合,如果需要最優(yōu)失真性能,圖4所示的電路應(yīng)當(dāng)是最佳選擇。這個(gè)電路是把兩個(gè)放大器配置為一個(gè)對(duì)稱單元以形成差分放大器。放大器的差分驅(qū)動(dòng)電路可以把一個(gè)以地為參考的2V的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)以AD的VREF管腳電壓為中心的4V的差分信號(hào)。單端輸入信號(hào)接到不同放大器的兩個(gè)相反的輸入上可以驅(qū)動(dòng)差分放大器,放大器可選用雙通道放大器AD8056。通常為保護(hù)AD9224不受過電壓的影響,應(yīng)當(dāng)在放大器的輸出端和AD的輸入之間加一個(gè)接地二極管。如果放大器和AD9224用同樣的正電源,那么,AD就不會(huì)受到過電壓的影響。

　　在不需要直流耦合的系統(tǒng)中,用一個(gè)有中間抽頭的RF變壓器對(duì)AD9224而言是產(chǎn)生差分輸入的最好方法。使用RF變壓器相對(duì)于其它方法具有很多的優(yōu)越性,它對(duì)偶次失真分量和共模噪聲干擾有很好的抑制作用。同時(shí),RF變壓器還對(duì)信號(hào)源和AD具有一定的隔離作用。AD9224的采樣時(shí)序如圖5所示。

　　A／D對(duì)模擬輸入的采樣是在時(shí)鐘輸入的上升沿進(jìn)行的,時(shí)鐘為高時(shí)為保持時(shí)間,時(shí)鐘為低時(shí),輸入SHA處于采樣模式。如果過度的時(shí)鐘抖動(dòng)或系統(tǒng)干擾恰巧發(fā)生在時(shí)鐘的上升沿之前,那么輸入SHA有可能得到的是錯(cuò)誤的數(shù)值。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量避免這種情況的發(fā)生。當(dāng)使用內(nèi)部或外部參考方式時(shí),還應(yīng)當(dāng)在CAPT與 CAPB之間加一個(gè)電容網(wǎng),如圖6所示。該電容網(wǎng)的作用有三個(gè)：其一是與內(nèi)部參考放大器A2一起在大頻率范圍下提供一個(gè)低阻抗源以驅(qū)動(dòng)A／D內(nèi)部電路。其二是提供A2需要的補(bǔ)償。其三是限制由參考電源產(chǎn)生的噪聲干擾。

　　另外,為減少高頻干擾,在制作電路板時(shí)應(yīng)盡量采用四層板,在中間加上地線層和電源層。另外,由于采樣時(shí)鐘的相位抖動(dòng)會(huì)對(duì)AD產(chǎn)生相當(dāng)于模擬輸入正弦波所產(chǎn)生的影響,而時(shí)鐘輸入對(duì)AD9224來說相當(dāng)于一個(gè)模擬輸入,因此應(yīng)當(dāng)盡量選擇低抖動(dòng)晶體振蕩器。建議采用將80MHz的時(shí)鐘分頻以獲得40MHz時(shí)鐘信號(hào)的方法,并將時(shí)鐘電路與系統(tǒng)模擬電路、數(shù)字電路相隔離,以防止其產(chǎn)生噪聲。