AD9246：高性能14位ADC的深度剖析與應用指南

在當今的電子設計領域，模擬 - 數字轉換器（ADC）扮演著至關重要的角色。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80 MSPS/105 MSPS/125 MSPS的高性能ADC。

文件下載：AD9246.pdf

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。采用多級差分流水線架構和輸出誤差校正邏輯，能在125 MSPS的數據速率下保證14位的精度，并且在整個工作溫度范圍內保證無漏碼。

（一）特性亮點

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）和無雜散動態范圍（SFDR）。例如，在70 MHz輸入時，SNR可達71.7 dBc（72.7 dBFS），SFDR可達85 dBc。
2. 低功耗設計：在125 MSPS采樣率下，功耗僅為395 mW，適合對功耗要求較高的應用場景。
3. 輸入靈活性：差分輸入帶寬達650 MHz，輸入范圍可在1 V p - p至2 V p - p之間靈活選擇，支持單端應用。
4. 功能豐富：片上集成電壓基準和采樣保持放大器，具備時鐘占空比穩定器、數據輸出時鐘、串行端口控制以及內置可選數字測試模式生成等功能。

（二）應用領域

AD9246廣泛應用于超聲設備、通信接收機的中頻采樣、電池供電儀器、手持示波器和低成本數字示波器等領域。

二、技術規格詳解

（一）直流規格

在直流規格方面，AD9246的分辨率為14位，保證無漏碼。增益誤差和偏移誤差在不同采樣率下有明確的指標，如在AD9246BCPZ - 125型號中，增益誤差在全溫度范圍內為±0.3%至±0.8% FSR，偏移誤差為±0.6%至±4.2% FSR。內部電壓基準輸出電壓誤差在不同模式下有相應的范圍，輸入參考噪聲在特定條件下也有明確的數值。

（二）交流規格

交流規格中，SNR、SINAD、ENOB等指標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SNR可達71.9 dBc；在70 MHz輸入頻率下，25°C時SNR為71.7 dBc。SFDR在不同輸入頻率下也表現出色，如在70 MHz輸入時，SFDR可達85 dBc。

（三）數字規格

數字規格涵蓋了差分時鐘輸入、邏輯輸入和數字輸出等方面。差分時鐘輸入支持CMOS/LVDS/LVPECL等多種邏輯電平，輸入電壓范圍和輸入電流等參數都有明確的規定。數字輸出可根據DRVDD的不同設置不同的輸出電壓。

（四）開關規格

開關規格包括時鐘輸入參數和數據輸出參數。時鐘輸入參數如轉換速率、時鐘周期、時鐘脈沖寬度等，數據輸出參數如數據傳播延遲、DCO傳播延遲、建立時間和保持時間等都有詳細的指標。

三、工作原理與設計要點

（一）架構原理

AD9246的架構由前端采樣保持放大器（SHA）和流水線式開關電容ADC組成。量化輸出在數字校正邏輯中組合成最終的14位結果。流水線架構允許第一級處理新的輸入樣本，而其余級處理之前的樣本，采樣發生在時鐘的上升沿。

（二）模擬輸入考慮

模擬輸入采用差分開關電容SHA，在處理差分輸入信號時具有最佳性能。時鐘信號交替將SHA切換到采樣模式和保持模式，輸入信號源需在半個時鐘周期內為采樣電容充電并穩定。在中頻欠采樣應用中，應減少并聯電容以避免限制輸入帶寬。同時，為了獲得最佳動態性能，驅動VIN +和VIN -的源阻抗應匹配，以減少共模失調誤差。

（三）電壓基準

AD9246內置穩定準確的電壓基準，輸入范圍可通過改變施加到芯片的參考電壓進行調整。參考模式包括內部固定參考、可編程參考和外部參考等，用戶可根據具體需求進行選擇。

（四）時鐘輸入

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

（五）功耗與待機模式

AD9246的功耗與采樣率成正比，數字功耗主要由數字驅動器的強度和每個輸出位的負載決定。通過斷言PDWN引腳高電平，可將AD9246置于掉電模式，此時功耗僅為1.8 mW。在待機模式下，用戶可通過SPI端口接口保持內部參考電路供電，以實現更快的喚醒時間。

（六）數字輸出

AD9246的輸出驅動器可與1.8 V至3.3 V的邏輯系列接口，輸出數據格式可選擇偏移二進制、二進制補碼或格雷碼。當模擬輸入電壓超出ADC的輸入范圍時，會出現超出范圍（OR）條件，OR輸出會相應變化。同時，AD9246具有三態能力，可通過OEB引腳控制輸出數據驅動器的使能。

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ADC內部的結構化寄存器空間對轉換器進行特定功能或操作的配置。通過SPI接口，用戶可以訪問和修改寄存器，實現諸如設置電源模式、時鐘控制、偏移調整、測試模式設置等功能。

（二）配置方法

SPI接口由SCLK/DFS、SDIO/DCS和CSB三個引腳定義。SCLK/DFS用于同步讀寫數據，SDIO/DCS用于數據的輸入和輸出，CSB用于控制讀寫周期。在使用SPI接口時，通過特定的指令和數據傳輸來實現對寄存器的讀寫操作。同時，當不使用SPI接口時，部分引腳具有雙重功能，可作為獨立的CMOS兼容控制引腳。

五、布局考慮與評估板

（一）布局要點

在PCB布局時，建議使用兩個獨立的電源，分別為模擬（AVDD）和數字（DRVDD）供電。如果只有一個1.8 V電源，可通過鐵氧體磁珠或濾波扼流圈和去耦電容進行隔離。同時，CML引腳應通過0.1 μF電容接地，RBIAS引腳需連接一個10 kΩ電阻到地，VREF引腳應通過低ESR電容進行外部去耦。

（二）評估板介紹

AD9246評估板提供了所有必要的支持電路，可實現ADC的各種模式和配置。評估板可通過雙巴倫配置或AD8352差分驅動器驅動ADC，也可采用單端驅動方式。評估板還配備了開關電源，可提供6 V、2 A的最大輸出，同時可根據需要單獨為各個部分供電。在連接時鐘和模擬源時，應使用低相位噪聲的信號發生器，并使用合適的濾波器對模擬輸入信號進行濾波。

六、總結與思考

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。在實際應用中，電子工程師需要根據具體的應用場景和需求，合理選擇輸入配置、時鐘源和電源方案，同時注意PCB布局和信號處理，以充分發揮AD9246的優勢。那么，在你的設計中，AD9246是否能滿足你的需求呢？你在使用類似ADC時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。