AD9114/AD9115/AD9116/AD9117：高性能雙路低功耗數模轉換器的深度解析

在電子設計領域，數模轉換器（DAC）是連接數字世界和模擬世界的關鍵橋梁。今天，我們要深入探討的是ADI公司的AD9114/AD9115/AD9116/AD9117系列雙路低功耗數模轉換器，看看它們在性能、功能和應用方面有哪些獨特之處。

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一、產品概述

AD9114/AD9115/AD9116/AD9117是引腳兼容的雙路8/10/12/14位低功耗數模轉換器，采樣率高達125 MSPS。這些TxDAC?轉換器針對通信系統的發射信號路徑進行了優化，所有器件共享相同的接口、封裝和引腳排列，方便根據性能、分辨率和成本進行向上或向下的組件選擇。

二、產品特性

2.1 低功耗設計

該系列DAC采用1.8 V至3.3 V單電源供電，在100 MSPS時總功耗可降至225 mW。還提供睡眠和掉電模式，適用于低功耗空閑期，例如在一些便攜式設備中，這種低功耗特性可以顯著延長電池續航時間。

2.2 出色的AC和DC性能

• SFDR表現：在不同輸出頻率下，具有較高的無雜散動態范圍（SFDR）。例如，在1 MHz輸出時，SFDR可達86 dBc；在10 MHz輸出時，SFDR為85 dBc 。
• 低噪聲：以AD9117為例，在1 MHz輸出、125 MSPS、20 mA條件下，噪聲譜密度（NSD）為 -162 dBc/Hz。

2.3 靈活的電源和輸出設置

• 電源范圍：電源電壓范圍為1.8 V至3.3 V，能適應不同的電源環境。
• 輸出電流：差分電流輸出范圍為2 mA至20 mA，可根據實際需求進行調整。
• 輸出共模：輸出共模電平可在0 V至1.2 V之間調節，方便與其他組件進行接口。

2.4 其他特性

• 片上輔助DAC：集成2個片上輔助DAC，可用于一些額外的功能，如直流偏移校正等。
• CMOS輸入：采用單端口操作的CMOS輸入，兼容性好。
• 小封裝：采用40引腳LFCSP封裝，符合RoHS標準，節省電路板空間。

三、技術規格

3.1 DC規格

涵蓋分辨率、精度（包括差分非線性DNL和積分非線性INL）、輸出偏移誤差、增益誤差等參數。不同型號在分辨率上有所差異，AD9114為8位，AD9115為10位，AD9116為12位，AD9117為14位。在精度方面，經過校準后，DNL和INL的誤差都能控制在較小范圍內。

3.2 數字規格

包括DAC時鐘輸入、串行外設接口（SPI）的相關參數，如時鐘速率、脈沖寬度、數據建立和保持時間等。例如，DAC時鐘輸入的最大時鐘速率為125 MSPS，SPI的最大時鐘速率為25 MHz。

3.3 AC規格

涉及動態性能參數，如輸出建立時間、上升時間、下降時間、輸出噪聲、SFDR、失真（IMD）、NSD等。這些參數反映了DAC在交流信號處理方面的能力。

3.4 絕對最大額定值和熱阻

規定了器件的絕對最大電壓、溫度等參數，以及熱阻信息。例如，結溫的絕對最大值為125°C，存儲溫度范圍為 -65°C至 +150°C。

四、引腳配置和功能描述

每個型號的引腳配置基本相似，主要包括數字輸入引腳、電源引腳、時鐘引腳、輸出引腳等。不同引腳具有不同的功能，例如：

• DVDDIO：數字I/O電源電壓輸入，范圍為1.8 V至3.3 V。
• CLKIN：LVCMOS采樣時鐘輸入。
• IOUTP和IOUTN：I DAC電流輸出和互補電流輸出。

五、典型性能特性

通過一系列圖表展示了不同型號在不同條件下的性能表現，如INL和DNL的校準前后曲線、NSD與輸出頻率的關系、IMD與輸出頻率的關系、SFDR與輸出頻率的關系等。這些圖表可以幫助工程師直觀地了解器件的性能特點，從而更好地進行設計。

六、工作原理

6.1 內部結構

由兩個DAC、數字控制邏輯和滿量程輸出電流控制組成。每個DAC包含一個PMOS電流源陣列，能夠提供最大20 mA的電流。

6.2 電流源切換

電流源通過PMOS差分電流開關切換到兩個輸出節點（IOUTP或IOUTN），這種開關架構有助于減少失真和各種時序誤差。

6.3 電源和參考

模擬和數字I/O部分有獨立的電源輸入，可在1.8 V至3.3 V范圍內獨立工作，核心數字部分（DVDD）需要1.8 V。內部包含1.0 V帶隙參考，可通過SPI接口禁用或啟用。

七、串行外設接口（SPI）

7.1 接口特點

是一個靈活的同步串行通信端口，兼容大多數同步傳輸格式，支持單字節或多字節傳輸，以及MSB先或LSB先的傳輸格式。

7.2 通信周期

包括指令周期和數據傳輸周期。指令周期用于寫入指令字節，定義數據傳輸是讀還是寫、數據傳輸的字節數以及起始寄存器地址。

7.3 寄存器操作

通過SPI可以對各種寄存器進行讀寫操作，實現對器件的配置和控制。例如，通過設置不同的寄存器位，可以調整DAC的增益、輸出電流、共模電平、校準等。

八、數字接口操作

8.1 數據格式

數字數據以交錯雙數據速率（DDR）格式提供給芯片，最大保證數據速率為250 MSPS，時鐘頻率為125 MHz。數據格式可以是無符號二進制或補碼格式，可通過TWOS數據控制位選擇。

8.2 數據捕獲和重定時

通過DCLKIO和CLKIN兩個時鐘輸入，對輸入數據進行捕獲和重定時，確保數據正確采樣。內部有數據重定時器電路，可根據時鐘相位關系選擇合適的重定時時鐘。

九、參考操作和DAC傳輸函數

9.1 參考操作

內部參考可通過SPI接口禁用或啟用，使用內部參考時需要將REFIO引腳通過0.1 μF電容解耦到AVSS。外部參考適用于需要最小增益公差變化或較低溫度漂移的應用。

9.2 DAC傳輸函數

根據輸入代碼和滿量程輸出電流，計算輸出電流和電壓。采用差分輸出方式，有助于抵消共模誤差源，提高信號功率。

十、應用信息

10.1 輸出配置

• 差分耦合：使用RF變壓器或差分運算放大器實現差分輸出，適用于需要高動態性能和交流耦合的應用。
• 單端緩沖輸出：使用運算放大器將DAC輸出電流轉換為單端電壓，適用于對成本和功耗要求較高的應用。
• 差分緩沖輸出：使用運算放大器將差分輸出轉換為單端信號，可提供額外的信號增益。

10.2 輔助DAC

用于直流偏移校正等任務，通過SPI端口驅動。每個輔助DAC與相應的FSADJx電阻共享一個引腳，使用時需要注意相關條件。

10.3 DAC到調制器接口

輔助DAC可用于本地振蕩器（LO）抵消，減少LO饋通對系統性能的影響。

10.4 校正非理想性能

通過調整DAC的精細增益和輔助DAC的輸出，校正正交調制器的增益失配和LO饋通問題，提高系統性能。

十一、電源供應

11.1 要求

模擬和數字I/O部分有獨立的電源輸入，核心數字部分需要1.8 V。上電后需要對RESET/PINMD引腳進行脈沖操作，確保器件正常工作。

11.2 建議

使用多種去耦電容，包括10 nF、0.1 μF和10 μF，放置在PCB上靠近器件的位置，減少電源噪聲。

十二、總結

AD9114/AD9115/AD9116/AD9117系列數模轉換器以其低功耗、高性能、靈活的配置和豐富的功能，適用于無線基礎設施、醫療儀器、信號發生器等多種應用場景。工程師在設計過程中，可以根據具體需求選擇合適的型號，并合理配置寄存器和外部電路，以實現最佳的性能表現。你在使用這些DAC的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。