10 位 40 MSPS A/D 轉(zhuǎn)換器 AD9203 深度解析

在當(dāng)今電子設(shè)備不斷追求高性能、低功耗的時(shí)代，A/D 轉(zhuǎn)換器作為模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的橋梁，其性能的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)。今天，我們就來深入探討一款備受關(guān)注的 A/D 轉(zhuǎn)換器——AD9203。

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一、AD9203 概覽

AD9203 是一款單芯片、低功耗、單電源的 10 位 40 MSPS 模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)集成了電壓基準(zhǔn)。它采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，能在全工作溫度范圍內(nèi)保證無失碼，輸入范圍可在 1 V 至 2 V p - p 之間調(diào)整。

（一）關(guān)鍵特性

1. 低功耗設(shè)計(jì)：在 3 V 電源、40 MSPS 采樣率下，功耗僅 74 mW；在 3 V 電源、5 MSPS 采樣率時(shí)，功耗降至 17 mW；進(jìn)入掉電（待機(jī)）模式，功耗更是低至 0.65 mW。
2. 高性能表現(xiàn)：在 40 MSPS 輸入信號(hào)下，從直流到奈奎斯特頻率，能保持優(yōu)于 9.55 ENOB 的性能。
3. 小封裝優(yōu)勢(shì)：采用 28 引腳 TSSOP 封裝，節(jié)省電路板空間。
4. 可編程電源：通過在較低采樣率時(shí)使用外部電阻，可進(jìn)一步降低功耗。
5. 內(nèi)置鉗位功能：可實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的直流恢復(fù)。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

AD9203 的應(yīng)用十分廣泛，涵蓋了 CCD 成像、視頻、便攜式儀器、IF 和基帶通信、電纜調(diào)制解調(diào)器以及醫(yī)療超聲等領(lǐng)域。

二、技術(shù)參數(shù)詳解

（一）分辨率與轉(zhuǎn)換速率

AD9203 的分辨率為 10 位，最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá) 40 MSPS，能滿足大多數(shù)中高速數(shù)據(jù)采集的需求。

（二）直流精度

1. 差分非線性（DNL）：±0.25 ± 0.7 LSB，保證了轉(zhuǎn)換過程中每個(gè)碼的準(zhǔn)確性。
2. 積分非線性（INL）：±0.65 ± 1.4 LSB，反映了整體的線性度誤差。
3. 偏移誤差（EZS）：±0.6 ± 2.8 LSB % FSR，確保了零點(diǎn)的準(zhǔn)確性。
4. 增益誤差（EFS）：±0.7 ± 4.0 % FSR，保證了增益的穩(wěn)定性。

（三）模擬輸入特性

1. 輸入電壓范圍：1 - 2 V p - p，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。
2. 輸入電容：1.4 pF，對(duì)輸入信號(hào)的負(fù)載影響較小。
3. 孔徑延遲：2.0 ns，確保采樣的及時(shí)性。
4. 孔徑不確定性（抖動(dòng)）：1.2 ps rms，減少了采樣誤差。
5. 輸入帶寬（–3 dB）：390 MHz，能處理較寬頻率范圍的信號(hào)。

（四）內(nèi)部基準(zhǔn)

內(nèi)部基準(zhǔn)輸出電壓有 0.5 V 和 1 V 兩種模式，可通過 REFSENSE 引腳進(jìn)行選擇，輸出電壓公差在 1 V 模式下為 ±5 0.65 ± 30 1.2 mV。

（五）電源供應(yīng)

1. 工作電壓：AVDD 和 DRVDD 范圍為 2.7 - 3.6 V，適應(yīng)多種電源環(huán)境。
2. 模擬電源電流：IAVDD 為 20.1 - 22.0 mA。
3. 數(shù)字電源電流：IDRVDD 在不同輸入頻率和輸出負(fù)載下有所不同，如 fIN = 4.8 MHz、輸出總線負(fù)載 = 10pF 時(shí)為 4.4 - 6.0 mA。
4. 功耗：在不同輸入頻率和輸出負(fù)載下，功耗范圍有所變化，如 fIN = 4.8 MHz、輸出總線負(fù)載 = 10pF 時(shí)為 74 - 84.0 mW。
5. 電源抑制比（PSRR）：0.04 ± 0.25 % FS，對(duì)電源波動(dòng)有較好的抑制能力。

（六）動(dòng)態(tài)性能

1. 信噪失真比（SINAD）：在不同輸入頻率下表現(xiàn)良好，如 f = 4.8 MHz 時(shí)為 59.7 dB，f = 20 MHz 時(shí)為 57.2 - 59.3 dB。
2. 有效位數(shù)（ENOB）：f = 4.8 MHz 時(shí)為 9.6 位，f = 20 MHz 時(shí)為 9.2 - 9.55 位。
3. 信噪比（SNR）：f = 4.8 MHz 時(shí)為 57.5 - 60.0 dB，f = 20 MHz 時(shí)為 59.5 dB。
4. 總諧波失真（THD）：f = 4.8 MHz 時(shí)為 - 76.0 dB，f = 20 MHz 時(shí)為 - 74.0 - - 65.0 dB。
5. 無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）：f = 4.8 MHz 時(shí)為 80 dB，f = 20 MHz 時(shí)為 67.8 - 78 dB。

（七）管道延遲

管道延遲為 5.5 個(gè)時(shí)鐘周期，這在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要考慮，以確保數(shù)據(jù)的正確處理。

三、工作原理

（一）架構(gòu)設(shè)計(jì)

AD9203 采用流水線多級(jí)架構(gòu)，將轉(zhuǎn)換過程分布在多個(gè)較小的 A/D 子塊中，隨著信號(hào)在各級(jí)之間傳遞，逐步提高轉(zhuǎn)換精度。這種架構(gòu)只需傳統(tǒng) 10 位閃存型 A/D 所用 1023 個(gè)比較器的一小部分，大大降低了功耗。

（二）采樣與保持

每個(gè)階段都包含采樣 - 保持功能，使得第一級(jí)可以處理新的輸入樣本，而其余階段處理之前的樣本，提高了采樣效率。

（三）輸入結(jié)構(gòu)

輸入采用了一種新穎的結(jié)構(gòu)，將輸入采樣 - 保持放大器（SHA）和第一級(jí)流水線殘差放大器合并為一個(gè)緊湊的開關(guān)電容電路，減少了噪聲和功耗。通過匹配輸入 SHA 的采樣網(wǎng)絡(luò)和第一級(jí)閃存 A/D，AD9203 能夠在超過奈奎斯特頻率的情況下進(jìn)行采樣，且性能不受影響。

四、操作模式

（一）輸入配置

AD9203 支持多種輸入配置，包括 1 V 差分、2 V 差分、1 V 單端和 2 V 單端模式。差分模式能提供最佳的動(dòng)態(tài)性能，而單端模式適用于視頻和需要鉗位的應(yīng)用。

（二）數(shù)字輸出格式

數(shù)字輸出格式可通過 DFS 引腳配置為二進(jìn)制或二進(jìn)制補(bǔ)碼格式。

（三）電源控制

通過在 PWRCON 和 AVSS 之間放置電阻，可以降低功耗，適用于不需要高速采樣的應(yīng)用。

五、輸入與參考設(shè)計(jì)

（一）輸入概述

VREF 定義了 A/D 核心的最大輸入電壓，最小輸入電壓自動(dòng)定義為 - VREF。輸入級(jí)允許用戶輕松配置單端或差分操作，輸入信號(hào)的直流偏移可以獨(dú)立于轉(zhuǎn)換器的輸入跨度進(jìn)行調(diào)整。

（二）內(nèi)部參考連接

內(nèi)部參考電壓可通過 REFSENSE 引腳進(jìn)行設(shè)置，有 0.5 V 和 1 V 兩種模式，還可通過外部電阻進(jìn)行編程。

（三）外部參考操作

使用外部參考可以提高 ADC 的精度，降低溫度漂移，并且在多個(gè) ADC 跟蹤時(shí)，可使用單個(gè)參考。當(dāng) REFSENSE 引腳連接到 AVDD 時(shí)，內(nèi)部參考將被禁用，允許使用外部參考。

（四）鉗位操作

AD9203 內(nèi)部包含鉗位電路，適用于單端輸入模式，可用于鉗位 NTSC 和 PAL 視頻信號(hào)到地。

六、驅(qū)動(dòng)與接口設(shè)計(jì)

（一）驅(qū)動(dòng)模擬輸入

AD9203 的輸入結(jié)構(gòu)對(duì)輸入驅(qū)動(dòng)源有一定要求，輸入源需要能夠在半個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)將電容充電或放電到 10 位精度。通過在信號(hào)源輸出和 AIN 引腳之間添加串聯(lián)電阻，可以減少對(duì)信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)要求。

（二）運(yùn)算放大器選擇

運(yùn)算放大器的選擇高度依賴于應(yīng)用，需要考慮時(shí)間域或頻率域的約束，以及電源可用性和成本等因素。例如，AD8051 適用于單端交流耦合配置，AD8138 可實(shí)現(xiàn)單端到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

（三）差分模式操作

在需要單端到差分轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中，可以使用 RF 變壓器或 AD8138 來實(shí)現(xiàn)。差分模式操作可以提高 THD 和 SFDR 性能，特別是在輸入頻率接近或超過奈奎斯特頻率時(shí)。

（四）電源控制

通過在 PWRCON 引腳和地之間放置電阻，可以降低 AD9203 的功耗，滿足不同應(yīng)用的功率需求。

（五）與 5 V 系統(tǒng)接口

AD9203 可以集成到 5 V 系統(tǒng)中，通過 AD3307 - 3 線性穩(wěn)壓器從 5 V 模擬電源線獲得 3 V 電源。

（六）時(shí)鐘輸入

AD9203 的時(shí)鐘輸入使用時(shí)鐘的兩個(gè)邊緣來生成內(nèi)部定時(shí)信號(hào)，采樣發(fā)生在下降沿。時(shí)鐘輸入的占空比應(yīng)在 45% - 55% 之間，以滿足定時(shí)要求。同時(shí)，要注意時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量，避免孔徑抖動(dòng)對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的影響。

（七）數(shù)字輸入和輸出

AD9203 的數(shù)字控制輸入和時(shí)鐘都參考模擬地。STBY 引腳為高電平時(shí)，進(jìn)入低功耗模式；DFS 引腳為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸出為二進(jìn)制補(bǔ)碼格式；OTR 引腳用于指示輸入電壓是否超出滿量程。

七、應(yīng)用案例

（一）直接 IF 下變頻

AD9203 適用于直接 IF 下變頻應(yīng)用，通過采樣 IF 信號(hào)，可以消除混頻器級(jí)，降低成本和功耗。在該應(yīng)用中，應(yīng)使用 2 V 跨度的差分模式，并配合變壓器和帶通濾波器，以提高失真性能。

（二）超聲應(yīng)用

在 10 位超聲應(yīng)用中，AD9203 表現(xiàn)出色，具有高 SNR 和低雜散性能，特別是在多普勒超聲應(yīng)用中，對(duì)低頻偏移信號(hào)的處理能力較強(qiáng)。

八、評(píng)估板使用

AD9203 評(píng)估板出廠時(shí)已配置為 2 V 差分操作，可輕松配置為單端和差分操作以及 1 V 和 2 V 跨度。在使用評(píng)估板時(shí)，應(yīng)按照連接圖將其連接到電源和測(cè)試設(shè)備。

九、總結(jié)

AD9203 以其低功耗、高性能、小封裝等優(yōu)點(diǎn)，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。無論是在通信、醫(yī)療還是視頻等領(lǐng)域，它都能為工程師提供可靠的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇輸入配置、參考電壓、運(yùn)算放大器等，以充分發(fā)揮 AD9203 的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用 AD9203 或其他 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。