AD9218 10位雙路模數轉換器：高性能與低功耗的完美結合

在電子設計領域，模數轉換器（ADC）是連接模擬世界和數字世界的關鍵橋梁。今天，我們就來深入探討一款高性能的雙路模數轉換器——AD9218。

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一、AD9218 簡介

AD9218 是一款雙 10 位單片采樣模數轉換器，片內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，在整個工作范圍內以 105 MSPS 的轉換速率運行，同時具備出色的動態性能，每個通道可獨立工作。

二、產品特性亮點

2.1 低功耗設計

AD9218 每個通道在 105 MSPS 時僅消耗 275 mW 功率，其他速度等級在保持高交流性能的同時，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備中具有顯著優勢，比如電池供電的儀器和手持示波器等。

2.2 引腳兼容升級

該器件與 8 位 AD9288 雙 ADC 引腳兼容，這為工程師從 8 位設備向 10 位設備的遷移提供了極大的便利，降低了設計成本和風險。

2.3 易于使用

片內集成了參考電路和用戶控制功能，為系統設計提供了靈活性。工程師可以根據具體需求進行配置，滿足不同應用場景的要求。

2.4 高性能表現

在奈奎斯特輸入下，105 MSPS 時仍能保持 54 dB 的 SNR（信噪比），并且通道串擾極低，僅為 -75 dBc，確保了信號轉換的準確性和穩定性。

2.5 先進工藝與封裝

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

三、技術參數詳解

3.1 直流參數

• 分辨率：10 位，能夠提供較高的轉換精度。
• 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，在不同溫度和輸入范圍內都有嚴格的保證。例如，在 25°C 時，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：內部參考電壓（REFOUT）在 25°C 時為 1.18 至 1.28 V，輸入電阻為 9 至 13 kΩ。
• 模擬輸入：每個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下有相應的規定。

3.2 數字參數

• 數字輸入：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，輸出編碼支持二進制補碼或偏移二進制格式。

3.3 交流參數

• 動態性能：包括信噪比（SNR）、信噪失真比（SINAD）、有效位數（ENOB）、諧波失真等指標。例如，在 fIN = 10.3 MHz 時，SNR 可達 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。
• 串擾：通道間串擾為 -75 dBc，保證了通道間的獨立性和信號質量。

3.4 開關參數

• 編碼輸入參數：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。
• 數字輸出參數：輸出有效時間為 2.5 ns，輸出傳播延遲為 4.5 至 7 ns，輸出上升時間和下降時間分別為 1 ns 和 1.2 ns。

四、工作原理與使用要點

4.1 工作原理

AD9218 采用逐位流水線型轉換器架構，利用開關電容技術。前級確定 7 個最高有效位（MSB），并驅動一個 3 位閃存。每個階段提供足夠的重疊和誤差校正，優化了比較器的精度。輸入緩沖器為差分結構，兩組輸入均內部偏置，支持交流耦合或直流耦合、差分或單端輸入模式。輸出級對數據進行對齊、誤差校正，并將數據饋送到輸出緩沖器，輸出緩沖器由獨立電源供電，可調整輸出電壓擺幅。

4.2 編碼輸入

高速 ADC 對用戶提供的采樣時鐘質量極為敏感。AD9218 的編碼輸入完全兼容 TTL/CMOS 電平，設計時需精心考慮時鐘源，以避免時鐘噪聲、失真或時序抖動對信號轉換產生影響。

4.3 數字輸出

數字輸出兼容 TTL/CMOS 電平，可降低功耗。在掉電模式下，輸出緩沖器進入高阻狀態。數據格式選擇選項支持二進制補碼（置高）或偏移二進制（置低）輸出格式。

4.4 模擬輸入

模擬輸入為差分緩沖結構，為獲得最佳動態性能，AIN 和 (overline{A_{IN}}) 的阻抗應匹配。設計時采取了特殊措施，防止輸入過驅動時造成損壞和數據丟失。標稱輸入范圍為 1.024 V p-p，差分驅動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 內置穩定準確的 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）來使用內部參考。每個通道的輸入范圍可通過調整施加到 AD9218 的參考電壓輸入進行獨立調整，參考電壓調整 ±5% 時，性能無明顯下降，ADC 的滿量程范圍隨參考電壓線性變化。

4.6 時序

AD9218 提供鎖存數據輸出，有 5 個流水線延遲。數據輸出在編碼命令上升沿后一個傳播延遲（tpd）可用。為減少 AD9218 內的瞬態干擾，應盡量縮短輸出數據線長度并減小負載，因為這些瞬態干擾會影響轉換器的動態性能。最小保證轉換速率為 20 MSPS，時鐘速率低于 20 MSPS 時，動態性能會下降。

4.7 用戶選擇選項

通過兩個引腳可實現多種操作模式組合，用戶可對兩個通道（不包括參考）或僅 B 通道進行掉電操作，這兩種模式都會使輸出緩沖器進入高阻狀態。掉電狀態恢復需在通電后 10 個時鐘周期完成。此外，還可將 B 通道輸出數據偏移半個時鐘周期，實現數據對齊功能。

五、應用領域

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試設備等，能夠延長設備的續航時間。

5.2 低成本數字示波器

其高性能和低功耗的特點，為低成本數字示波器的設計提供了有力支持，可在保證性能的同時降低成本。

5.3 I 和 Q 通信

在通信領域，AD9218 可用于 I 和 Q 解調，直接中頻采樣技術的應用能夠消除或簡化模擬混頻器和濾波器級，降低系統成本和功耗。

5.4 超聲設備

超聲設備對信號轉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備中模數轉換的理想選擇。

六、評估板使用說明

6.1 基本信息

AD9218/AD9288 客戶評估板為測試 AD9218 或 AD9288 提供了便捷的方式。由于兩者引腳兼容，一塊 PCB 可用于測試這兩種器件。評估板需要電源、時鐘源和濾波后的模擬源進行 ADC 測試。

6.2 電源連接

通過可拆卸的 12 引腳電源條為評估板供電，運行評估板所需的最低 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

每個通道有獨立的模擬路徑，使用寬帶變壓器從輸入 SMA 的單端正弦源差分驅動 ADC?？赏ㄟ^簡單的板級修改繞過變壓器路徑，使用兩個 AD8138 運算放大器實現直流耦合路徑。模擬輸入應進行帶通濾波，以去除輸入信號中的諧波并最小化混疊。

6.4 電壓參考

AD9218 內置 1.25 V 電壓參考，也可通過在電源連接器處連接兩個外部電壓參考并設置 E18 和 E19 跳線來使用外部參考。評估板出廠時配置為內部參考模式。

6.5 時鐘

每個通道可通過 SMA 輸入 ENCODE A 和 ENCODE B 的公共時鐘輸入進行時鐘驅動，也可通過簡單的板級修改獨立時鐘驅動。為獲得最佳性能，時鐘輸入應為低抖動正弦源。

6.6 數據輸出

數據輸出通過兩個 10 位鎖存器在板上鎖存，并驅動一個 8 引腳連接器，該連接器與 Analog Devices 提供的雙通道 FIFO 板兼容。結合 ADC 分析軟件，可大大簡化 ADC 測試。

6.7 數據格式/增益

可通過位于 S1、S2 跳線處的 DFS 跳線對 DFS/GAIN 引腳進行偏置，以實現所需的操作。

6.8 時序控制

若需要，可在 PCB 上控制每個通道的時序。必要時，可對鎖存器處的時鐘信號或輸出 80 引腳連接器的數據就緒信號進行反相。跳線還可用于對引腳 S1 和引腳 S2 進行偏置，以實現掉電和時序對齊控制。

6.9 故障排除

若評估板工作不正常，可按以下步驟排查：

• 驗證 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。
• 驗證 (VREF) 是否為 1.23 V。
• 嘗試以低速（20 MSPS/1 MHz）運行編碼時鐘和模擬輸入，并監控 LCX821 輸出、DAC 輸出和 ADC 輸出是否有切換。

七、總結

AD9218 以其低功耗、高性能、易于使用等特點，在多個領域展現出了強大的競爭力。無論是電池供電的設備，還是通信和超聲等對性能要求較高的應用，AD9218 都能提供可靠的解決方案。電子工程師在設計過程中，可以充分利用其特性和優勢，打造出更加優秀的產品。你在使用 AD9218 或其他類似 ADC 時，遇到過哪些有趣的問題或挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。