高性能低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS249的介紹及其應(yīng)用

摘要：現(xiàn)代信息處理應(yīng)用中，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度、精度、功耗和動(dòng)態(tài)性能等關(guān)鍵性能指標(biāo)不斷提出更高的要求。針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)際應(yīng)用，提出并設(shè)計(jì)了一種基于TI公司生產(chǎn)的雙通道14位250MSPS低功耗A／D轉(zhuǎn)換器ADS4249的RGB視頻編碼器電路設(shè)計(jì)。這款A(yù)／D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于其完美的實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)又能擁有1．8V起低功耗。這一特性使得ADS4249非常適合多載波，寬帶通信的信號(hào)處理應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：雙通道；低功耗；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；多載波；寬帶通信

    伴隨半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，A／D、D／A轉(zhuǎn)換器近年也呈現(xiàn)高速發(fā)展的趨勢(shì)。人類(lèi)數(shù)字化的浪潮推動(dòng)了A／D、D／A轉(zhuǎn)換器不斷變革，現(xiàn)在，在通信產(chǎn)品、消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品、工業(yè)醫(yī)療儀器乃至軍工產(chǎn)品中無(wú)一不顯現(xiàn)A／D、D／A轉(zhuǎn)換器的身影，可以說(shuō)，A／D、D／A轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為人類(lèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的先鋒。
    隨著混合信號(hào)電路在數(shù)據(jù)傳輸、通信等領(lǐng)域中發(fā)揮著日益重要的作用，高帶寬、高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成為了關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。尤其是在信息應(yīng)用中，對(duì)摸救轉(zhuǎn)換器的速度、精度、功耗、和動(dòng)態(tài)性能等關(guān)鍵性能指標(biāo)都提出了更高的要求。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)用性及適用性不僅取決于實(shí)現(xiàn)效率更高、精度更高、功耗更小的系統(tǒng)，同時(shí)還要使之滿足更高性能的規(guī)范要求。因此，如何提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高帶寬、高性能性能及低功耗是衡量系統(tǒng)是否具有良好的應(yīng)用價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)。為此，針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)際應(yīng)用，撮出并設(shè)計(jì)了一種基于TI公司生產(chǎn)的雙通道14位250MSPS低功耗A／D轉(zhuǎn)換器ADS4249的RGB視頻編碼器電路設(shè)計(jì)。
    ADS4249，作為T(mén)I雙通道ADS42微功耗12／14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器家族的薪成員，這款A／D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于其完美的實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)又能擁有1.8V超低功耗。這一特性使得ADS4249非常適合多載波，寬帶通信的信號(hào)處理應(yīng)用。
    ADS4249具有可被用予改善動(dòng)態(tài)范圍性能較低的滿量程輸入范圍的增益選擇，同時(shí)包含了一個(gè)可以用于消除ADC偏移的偏移校正回路。ADS 4249具有可以單獨(dú)使用并行或串行接口控制程序的功能，DDR LVDS和CMOS并平接口數(shù)字輸出信號(hào)都可以在一個(gè)緊湊的qfn-64powerpad?包內(nèi)加載。
    該器件采用無(wú)引線QFN封裝取代了傳統(tǒng)的外引腳及相關(guān)的去耦電容。其工作溫度可達(dá)到工業(yè)級(jí)(-40～+85℃)。

1. ADS4249應(yīng)用信息
1．1 工作原理
    ADS4249是TI超低功耗系列產(chǎn)品中雙通道12／14位AD轉(zhuǎn)換器。在輸入時(shí)鐘發(fā)起的每一個(gè)上升沿，每個(gè)信道的模擬輸入信號(hào)都被在同一時(shí)間采樣。在每個(gè)信道中的采樣信號(hào)都將轉(zhuǎn)換成一系列低分辨率階躍，在每個(gè)階躍中采樣或保持信號(hào)又被轉(zhuǎn)換成一個(gè)高速，低分辨率，速閃子ADC。階躍輸入和等效量化的區(qū)別在于傳輸?shù)较乱患?jí)的增益不同。
    在每一個(gè)時(shí)鐘，每個(gè)下級(jí)信號(hào)將采樣信號(hào)分解的更加精準(zhǔn)。所有階躍的數(shù)字輸出信號(hào)組合成一個(gè)數(shù)字校正邏輯塊，同時(shí)在16個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)據(jù)延時(shí)產(chǎn)生最終的數(shù)字化輸出代碼。這個(gè)代碼可以用于DDR LVDS或并聯(lián)CMOS，同時(shí)編碼或者直偏移二進(jìn)制或二進(jìn)制補(bǔ)碼格式。最初的一級(jí)的子ADC的動(dòng)態(tài)偏移量限制了模擬輸入的最大頻率約為400MHz(2-V振幅)或者600 MHz(1-V振幅)。
1．2 模擬輸入
    模擬輸入由一個(gè)基于開(kāi)關(guān)電容的微分S／H結(jié)構(gòu)組成，這種微分拓?fù)洳季直ＷC了高輸入頻率下的高采樣頻率。INP和INM引腳要外偏置圍繞著0．95 V，共模電壓，作用于VCM引腳，為了保證全差分輸入，INP和INM引腳的偏置電壓必須在VCM+0．5 V和VCM 0．5 V之間保持平衡，從而保證2 V微分輸入偏置。輸入采樣電路在頻率到達(dá)550 MHz是具有3-dB帶寬(測(cè)量值源于輸入引腳的電壓取樣)。模擬輸入信號(hào)的等效電路如圖1所示。

1．3 驅(qū)動(dòng)電路
    圖2～圖4為3種不同結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。這3種電路分別是：低輸入頻率下的低帶寬設(shè)計(jì)、較高輸入頻率下的高帶寬設(shè)計(jì)、極高輸入頻率下的極高帶寬設(shè)計(jì)。

    這里值得注意的是：3種驅(qū)動(dòng)電路在ADC附近的50 Ω處中止。這是由設(shè)備的0．95 VCM到每個(gè)25 Ω輸入引腳完成的。這種結(jié)構(gòu)允許模擬輸入信號(hào)在所需的共模電壓附近產(chǎn)生偏移量。電感之間的變壓器的寄生電容錯(cuò)誤匹配將導(dǎo)致偶次諧波性能退化。串連2個(gè)相同的RF變壓器則有助于減少這種不匹配性，對(duì)于高頻輸入信號(hào)將會(huì)有更好的性能表現(xiàn)。
    例如，ADT1-1WT可以被用于前兩種結(jié)構(gòu)電路中，如圖2、圖3所示，而ADTL2-18則可以被用于第3種結(jié)構(gòu)電路中，如圖4所示。

    兩個(gè)變壓器中間可以任意選擇一對(duì)終端電阻，例如圖2、圖3和圖4。為了保持P和M端的平衡性，可以將這對(duì)終端電阻的中心點(diǎn)接地。在變壓器和焊錫面之間可以產(chǎn)生一個(gè)50 Ω終端值。
    以上3種驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)均為50 Ω輸入阻抗的1：1變壓器，在驅(qū)動(dòng)電路的要求這一部分我們提到，這種電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于產(chǎn)生一個(gè)用于吸收采樣信號(hào)的2短時(shí)脈沖干擾信號(hào)的低源阻抗。對(duì)于1．4的變壓器來(lái)說(shuō)，其源阻抗為200 Ω，這樣較高的源阻抗是無(wú)法有效吸收采樣信號(hào)的短時(shí)脈沖干擾信號(hào)的，同時(shí)自身性能也相對(duì)于1：1變壓器有所下降。

    在幾乎所有的電路設(shè)計(jì)中，想要得到較高的驅(qū)動(dòng)能力，就必須使用一個(gè)帶通或低通濾波器，如圖5所示。在這里，濾波器的使用可以有效的產(chǎn)生一個(gè)用于吸收采樣信號(hào)的2短時(shí)脈沖干擾信號(hào)的低源阻抗，同時(shí)還可以減少高源阻抗帶來(lái)的性能上的損耗。

2 數(shù)字功能
    該器件擁有幾種較為常用的數(shù)字功能(例如測(cè)試圖形、增益表現(xiàn)、偏差校正)。這些功能的實(shí)現(xiàn)需要配合額外的增加總體延遲的時(shí)鐘線路和設(shè)備電源。這些數(shù)字功能在源ADC輸出信號(hào)通過(guò)一個(gè)有16個(gè)時(shí)鐘周期的延遲的輸出數(shù)據(jù)引腳發(fā)送出去或者被重新設(shè)置后將無(wú)法繼續(xù)使用。在使用任何數(shù)字功能時(shí)，EN DIGITAL為必須被置為“1”，在這之后，相應(yīng)的寄存器位再進(jìn)行邏輯編程。圖6是ADC數(shù)字處理過(guò)程的詳細(xì)內(nèi)容。

3 數(shù)字輸出信息
    ADS4249可以提供14位數(shù)字信號(hào)信道，同時(shí)伴隨輸出數(shù)字信號(hào)還有一個(gè)同步的輸出時(shí)鐘。
    ADS4249擁有兩種數(shù)字輸出接口，它們分別是DDRLVDS和并行CMOS。這兩種接口可以被用于串行接口寄存器或在并行結(jié)構(gòu)模式下用于SEN引腳的電壓設(shè)置。

4 應(yīng)用電路
    圖7是一個(gè)基于雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS4249的RGB視頻編碼器。視頻編碼器由兩個(gè)ADS4249組成，先對(duì)模擬視頻信號(hào)濾波并分離出R、G、B三基色信號(hào)，再分別對(duì)三基色信號(hào)采樣、量化，產(chǎn)生各自相對(duì)應(yīng)的8位數(shù)據(jù)，最終形成24位的圖像像素?cái)?shù)據(jù)。

5 結(jié)論
    該設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了ADS4249雙通道采樣的設(shè)計(jì)思想，從而使得圖像編碼更加方便，圖像數(shù)據(jù)的精度也有了很大提高，完全能夠滿足絕大多數(shù)數(shù)字圖像處理的需要。
    采用ADS4249進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，除了具有低功耗，高速處理能力的特點(diǎn)之外，其250 MSPS的最大采樣率，總功耗僅560 mW，可編程增益高達(dá)6分貝等特性，非常使用于多載波，寬帶通信、無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)采集處理及測(cè)量等多領(lǐng)域。