AD9260：高速過采樣CMOS ADC的卓越之選

在電子設(shè)計領(lǐng)域，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的性能直接影響著整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。今天，我們就來深入探討一款高性能的16位高速過采樣CMOS ADC——AD9260。

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產(chǎn)品概述

AD9260是一款單芯片16位過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用先進(jìn)的CMOS工藝制造。它具有8倍過采樣模式，在20 MSPS的時鐘頻率下，能實現(xiàn)2.5 MHz的輸出字速率，信號通帶可達(dá)1.01 MHz，紋波僅為0.004 dB。其出色的動態(tài)范圍表現(xiàn)，如信噪比（SNR）可達(dá)88.5 dB，總諧波失真（THD）低至 -96 dB，無雜散動態(tài)范圍（SFDR）高達(dá)100 dB，輸入?yún)⒖荚肼晝H為0.6 LSB，使其在眾多應(yīng)用場景中脫穎而出。

關(guān)鍵特性

可選擇的過采樣比率

AD9260提供1×、2×、4×、8×四種過采樣比率選擇，用戶可以根據(jù)實際需求靈活調(diào)整，以平衡采樣速率和數(shù)據(jù)精度。不同的過采樣比率會影響輸出字速率和信號處理能力，例如在8倍過采樣模式下，能有效提高信噪比和動態(tài)范圍。

可調(diào)節(jié)的功耗

該ADC的功耗可在150 mW至585 mW之間調(diào)節(jié)。通過調(diào)整外部電阻連接到BIAS引腳，可以根據(jù)時鐘頻率和性能需求來優(yōu)化功耗。當(dāng)以較低的時鐘頻率運行時，功耗可大幅降低，例如在5 MHz時鐘速率下，功耗可降低至約150 mW，這對于對功耗敏感的應(yīng)用非常重要。

單電源供電

AD9260的模擬和數(shù)字部分均可由單一的 +5 V電源供電，簡化了系統(tǒng)電源設(shè)計。同時，數(shù)字邏輯也支持 +3 V電源，以進(jìn)一步降低功耗。這種靈活的電源配置使得AD9260在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作。

高性能的抽取濾波器

片上抽取濾波器具有0.004 dB的通帶紋波和85 dB的阻帶衰減，提供了出色的濾波性能。濾波器可配置為1×、2×、4×、8×抽取，有效抑制雜散信號，提高信號質(zhì)量。其線性相位響應(yīng)和良好的通帶平坦度，確保了信號的準(zhǔn)確處理。

工作原理

AD9260采用了一種創(chuàng)新的模數(shù)轉(zhuǎn)換架構(gòu)，將sigma-delta技術(shù)與高速流水線A/D轉(zhuǎn)換器相結(jié)合。差分模擬輸入首先進(jìn)入二階多位sigma-delta調(diào)制器，該調(diào)制器具有5位閃存量化器和5位反饋，同時還有一個12位流水線A/D對輸入進(jìn)行更精確的量化。通過特殊的數(shù)字調(diào)制環(huán)路，將12位流水線A/D的輸出與5位閃存的延遲輸出相結(jié)合，產(chǎn)生等效于具有12位量化器和12位反饋的二階環(huán)路響應(yīng)。

調(diào)制器的輸出進(jìn)入數(shù)字抽取濾波器，MODE引腳的電壓電平?jīng)Q定了數(shù)字濾波器的配置，用戶可以選擇不抽取（時鐘速率）、2×、4×或8×抽取模式。抽取濾波器采用對稱FIR濾波器結(jié)構(gòu)，提供線性相位響應(yīng)和良好的通帶平坦度，有效抑制1.25 MHz至18.75 MHz之間的雜散輸入信號，減輕了模擬輸入路徑抗混疊濾波器的要求。

模擬輸入與參考

輸入跨度

AD9260采用差分輸入結(jié)構(gòu)，輸入信號的共模電平可以在較寬范圍內(nèi)獨立于轉(zhuǎn)換器的輸入跨度進(jìn)行變化。輸入到A/D核心的信號是VINA和VINB輸入引腳電壓的差值，其范圍由參考電壓VREF決定，最大輸入電壓為 +0.8 × VREF，最小輸入電壓為 -0.8 × VREF。

輸入合規(guī)范圍

除了輸入信號差分跨度的限制外，AD9260的模擬輸入結(jié)構(gòu)還對VINA和VINB的輸入范圍進(jìn)行了限制，要求AVSS + 0.5 V < VINA < AVDD - 0.5 V且AVSS + 0.5 V < VINB < AVDD + 0.5 V。

參考操作

AD9260內(nèi)置了帶隙參考和內(nèi)部參考緩沖放大器，提供了多種參考電壓配置選項。用戶可以選擇生成1 V或2.5 V的輸出，也可以通過添加外部電阻來生成1 V至2.5 V之間的其他參考電壓。此外，還可以使用外部參考以滿足更高的精度和漂移性能要求。需要注意的是，只有使用2.5 V參考時，才能實現(xiàn)AD9260的最佳噪聲和失真性能。

數(shù)字輸入與輸出

數(shù)字輸出格式

AD9260的輸出數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制補碼格式。不同的輸入范圍和抽取模式對應(yīng)不同的輸出數(shù)據(jù)格式，在2×和4×抽取模式下，由于數(shù)字縮放因子的不同，滿量程讀數(shù)與8×抽取模式有所差異。在1×抽取模式下，輸出數(shù)據(jù)同樣為二進(jìn)制補碼格式，但數(shù)字會按7/128的因子進(jìn)行縮放。

控制引腳功能

• CS和READ引腳：用于控制輸出數(shù)據(jù)引腳的狀態(tài)。當(dāng)CS為低電平且READ為高電平時，ADC數(shù)據(jù)會驅(qū)動到輸出數(shù)據(jù)引腳；否則，輸出數(shù)據(jù)引腳處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。
• DAV引腳：指示AD9260的輸出數(shù)據(jù)何時有效。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)在DAV的上升沿更新，數(shù)據(jù)保持時間取決于DAV和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出引腳的外部負(fù)載以及具體的抽取模式。
• RESET引腳：異步數(shù)字輸入，低電平有效。當(dāng)RESET為低電平時，數(shù)字抽取濾波器的時鐘被禁用，DAV引腳變?yōu)榈碗娖剑瑪?shù)字輸出數(shù)據(jù)引腳的數(shù)據(jù)無效。同時，模擬調(diào)制器和抽取濾波器中的內(nèi)部時鐘分頻器會被重置。在2×、4×或8×模式下，RESET必須保持低電平至少一個時鐘周期，以確保所有時鐘分頻器和模擬調(diào)制器被重置。
• OTR引腳：同步輸出，每個CLK周期更新一次，指示AD9260內(nèi)部是否發(fā)生過范圍條件。當(dāng)輸入信號超過轉(zhuǎn)換器的滿量程范圍時，OTR引腳會變高，此時數(shù)據(jù)可能會嚴(yán)重?fù)p壞。

性能考量

電源功耗

AD9260的功耗取決于其具體的應(yīng)用配置和工作條件。模擬功耗主要取決于電源偏置設(shè)置和采樣率，對輸入波形和數(shù)字濾波器模式設(shè)置不敏感；數(shù)字功耗主要取決于數(shù)字電源設(shè)置、采樣率，在一定程度上也受模式設(shè)置和輸入波形的影響。通過合理選擇電源電壓和時鐘頻率，可以優(yōu)化功耗。

時鐘輸入

AD9260的內(nèi)部時序使用時鐘輸入的兩個邊沿來生成各種內(nèi)部時序信號。時鐘輸入必須滿足最小指定的高電平和低電平脈沖寬度要求，以確保達(dá)到額定性能規(guī)格。時鐘輸入的質(zhì)量對ADC的動態(tài)范圍有重要影響，低抖動的時鐘源可以提高SNR性能。

接地與去耦

在高速、高分辨率系統(tǒng)中，正確的接地和去耦至關(guān)重要。建議使用多層印刷電路板（PCB），以提供最佳的接地和電源方案。模擬和數(shù)字接地應(yīng)分開，AVSS、DVSS和DRVSS引腳應(yīng)在AD9260下方直接連接。同時，需要對模擬和數(shù)字電源進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ヱ睿詼p少噪聲干擾。

評估板介紹

AD9260評估板為用戶提供了一種簡單靈活的方式來測試和驗證AD9260的性能。評估板具有以下特點：

• 跳線控制模式/過采樣率選擇：用戶可以通過跳線輕松選擇1×、2×、4×或8×模式。
• 可選擇的電源偏置：根據(jù)時鐘頻率，用戶可以通過連接不同阻值的外部電阻到BIAS引腳來調(diào)整電源功耗。
• 數(shù)據(jù)接口控制：RESETB、CSB、READ和DAV等數(shù)據(jù)接口控制信號可通過SMA連接器訪問，方便用戶進(jìn)行控制和監(jiān)測。
• 緩沖輸出數(shù)據(jù)：二進(jìn)制補碼輸出數(shù)據(jù)通過兩個CMOS非反相總線收發(fā)器進(jìn)行緩沖，并在引腳連接器P1上提供。
• 跳線控制參考源：用戶可以通過跳線選擇1.0 V、2.5 V或外部參考源。
• 靈活的時鐘輸入：支持直流或交流耦合的外部時鐘輸入，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。
• 靈活的輸入信號配置：評估板的輸入信號配置電路允許用戶輸入單信號或雙信號，并可設(shè)置輸入信號的共模電平。

應(yīng)用建議

在使用AD9260時，需要注意以下幾點：

• 避免輸入信號過載：使用略低于滿量程的信號幅度，以防止噪聲或直流偏置電壓導(dǎo)致ADC過范圍。
• 雙音測試：雙音測試時，每個測試信號應(yīng)設(shè)置為略小于 -6 dB，以防止信號峰值出現(xiàn)硬限幅。
• 信號濾波：在進(jìn)行SNR、THD和IMD測試時，必須對測試信號發(fā)生器進(jìn)行帶通濾波，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
• 時鐘信號：使用低噪聲（抖動）的時鐘信號發(fā)生器，以保證ADC的動態(tài)性能。
• PCB布局：設(shè)計良好、干凈的PCB布局對于確保AD9260的正常運行和干凈的頻譜響應(yīng)至關(guān)重要。應(yīng)注意正確的接地、旁路、短引線長度、模擬和數(shù)字信號的分離以及接地平面的使用。

AD9260以其卓越的性能、靈活的配置和豐富的功能，為電子工程師在高速數(shù)據(jù)采集和處理應(yīng)用中提供了一個強(qiáng)大的解決方案。通過深入了解其特性和工作原理，并遵循相關(guān)的設(shè)計建議，工程師們可以充分發(fā)揮AD9260的優(yōu)勢，實現(xiàn)高性能的系統(tǒng)設(shè)計。你在使用AD9260或類似ADC時遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。