AD9114/AD9115/AD9116/AD9117：高性能雙路低功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）是連接數(shù)字世界和模擬世界的關(guān)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(shù)模轉(zhuǎn)換器，看看它們?cè)谛阅堋⒐δ芎蛻?yīng)用方面有哪些獨(dú)特之處。

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一、產(chǎn)品概述

AD9114/AD9115/AD9116/AD9117是引腳兼容的雙路8/10/12/14位低功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采樣率高達(dá)125 MSPS。這些TxDAC?轉(zhuǎn)換器針對(duì)通信系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)路徑進(jìn)行了優(yōu)化，所有器件共享相同的接口、封裝和引腳排列，方便根據(jù)性能、分辨率和成本進(jìn)行向上或向下的組件選擇。

二、產(chǎn)品特性

2.1 低功耗設(shè)計(jì)

該系列DAC采用1.8 V至3.3 V單電源供電，在100 MSPS時(shí)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(shè)備中，這種低功耗特性可以顯著延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。

2.2 出色的AC和DC性能

• SFDR表現(xiàn)：在不同輸出頻率下，具有較高的無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。例如，在1 MHz輸出時(shí)，SFDR可達(dá)86 dBc；在10 MHz輸出時(shí)，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(shè)置

• 電源范圍：電源電壓范圍為1.8 V至3.3 V，能適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 輸出電流：差分電流輸出范圍為2 mA至20 mA，可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。
• 輸出共模：輸出共模電平可在0 V至1.2 V之間調(diào)節(jié)，方便與其他組件進(jìn)行接口。

2.4 其他特性

• 片上輔助DAC：集成2個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省電路板空間。

三、技術(shù)規(guī)格

3.1 DC規(guī)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(shù)。不同型號(hào)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(jīng)過校準(zhǔn)后，DNL和INL的誤差都能控制在較小范圍內(nèi)。

3.2 數(shù)字規(guī)格

包括DAC時(shí)鐘輸入、串行外設(shè)接口（SPI）的相關(guān)參數(shù)，如時(shí)鐘速率、脈沖寬度、數(shù)據(jù)建立和保持時(shí)間等。例如，DAC時(shí)鐘輸入的最大時(shí)鐘速率為125 MSPS，SPI的最大時(shí)鐘速率為25 MHz。

3.3 AC規(guī)格

涉及動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，如輸出建立時(shí)間、上升時(shí)間、下降時(shí)間、輸出噪聲、SFDR、失真（IMD）、NSD等。這些參數(shù)反映了DAC在交流信號(hào)處理方面的能力。

3.4 絕對(duì)最大額定值和熱阻

規(guī)定了器件的絕對(duì)最大電壓、溫度等參數(shù)，以及熱阻信息。例如，結(jié)溫的絕對(duì)最大值為125°C，存儲(chǔ)溫度范圍為 -65°C至 +150°C。

四、引腳配置和功能描述

每個(gè)型號(hào)的引腳配置基本相似，主要包括數(shù)字輸入引腳、電源引腳、時(shí)鐘引腳、輸出引腳等。不同引腳具有不同的功能，例如：

• DVDDIO：數(shù)字I/O電源電壓輸入，范圍為1.8 V至3.3 V。
• CLKIN：LVCMOS采樣時(shí)鐘輸入。
• IOUTP和IOUTN：I DAC電流輸出和互補(bǔ)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(hào)在不同條件下的性能表現(xiàn)，如INL和DNL的校準(zhǔn)前后曲線、NSD與輸出頻率的關(guān)系、IMD與輸出頻率的關(guān)系、SFDR與輸出頻率的關(guān)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(diǎn)，從而更好地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

六、工作原理

6.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由兩個(gè)DAC、數(shù)字控制邏輯和滿量程輸出電流控制組成。每個(gè)DAC包含一個(gè)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(guān)切換到兩個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)（IOUTP或IOUTN），這種開關(guān)架構(gòu)有助于減少失真和各種時(shí)序誤差。

6.3 電源和參考

模擬和數(shù)字I/O部分有獨(dú)立的電源輸入，可在1.8 V至3.3 V范圍內(nèi)獨(dú)立工作，核心數(shù)字部分（DVDD）需要1.8 V。內(nèi)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(shè)接口（SPI）

7.1 接口特點(diǎn)

是一個(gè)靈活的同步串行通信端口，兼容大多數(shù)同步傳輸格式，支持單字節(jié)或多字節(jié)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(shù)據(jù)傳輸周期。指令周期用于寫入指令字節(jié)，定義數(shù)據(jù)傳輸是讀還是寫、數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)以及起始寄存器地址。

7.3 寄存器操作

通過SPI可以對(duì)各種寄存器進(jìn)行讀寫操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的配置和控制。例如，通過設(shè)置不同的寄存器位，可以調(diào)整DAC的增益、輸出電流、共模電平、校準(zhǔn)等。

八、數(shù)字接口操作

8.1 數(shù)據(jù)格式

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以交錯(cuò)雙數(shù)據(jù)速率（DDR）格式提供給芯片，最大保證數(shù)據(jù)速率為250 MSPS，時(shí)鐘頻率為125 MHz。數(shù)據(jù)格式可以是無符號(hào)二進(jìn)制或補(bǔ)碼格式，可通過TWOS數(shù)據(jù)控制位選擇。

8.2 數(shù)據(jù)捕獲和重定時(shí)

通過DCLKIO和CLKIN兩個(gè)時(shí)鐘輸入，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲和重定時(shí)，確保數(shù)據(jù)正確采樣。內(nèi)部有數(shù)據(jù)重定時(shí)器電路，可根據(jù)時(shí)鐘相位關(guān)系選擇合適的重定時(shí)時(shí)鐘。

九、參考操作和DAC傳輸函數(shù)

9.1 參考操作

內(nèi)部參考可通過SPI接口禁用或啟用，使用內(nèi)部參考時(shí)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(yīng)用。

9.2 DAC傳輸函數(shù)

根據(jù)輸入代碼和滿量程輸出電流，計(jì)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(hào)功率。

十、應(yīng)用信息

10.1 輸出配置

• 差分耦合：使用RF變壓器或差分運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)差分輸出，適用于需要高動(dòng)態(tài)性能和交流耦合的應(yīng)用。
• 單端緩沖輸出：使用運(yùn)算放大器將DAC輸出電流轉(zhuǎn)換為單端電壓，適用于對(duì)成本和功耗要求較高的應(yīng)用。
• 差分緩沖輸出：使用運(yùn)算放大器將差分輸出轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，可提供額外的信號(hào)增益。

10.2 輔助DAC

用于直流偏移校正等任務(wù)，通過SPI端口驅(qū)動(dòng)。每個(gè)輔助DAC與相應(yīng)的FSADJx電阻共享一個(gè)引腳，使用時(shí)需要注意相關(guān)條件。

10.3 DAC到調(diào)制器接口

輔助DAC可用于本地振蕩器（LO）抵消，減少LO饋通對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

10.4 校正非理想性能

通過調(diào)整DAC的精細(xì)增益和輔助DAC的輸出，校正正交調(diào)制器的增益失配和LO饋通問題，提高系統(tǒng)性能。

十一、電源供應(yīng)

11.1 要求

模擬和數(shù)字I/O部分有獨(dú)立的電源輸入，核心數(shù)字部分需要1.8 V。上電后需要對(duì)RESET/PINMD引腳進(jìn)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(jié)

AD9114/AD9115/AD9116/AD9117系列數(shù)模轉(zhuǎn)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(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療儀器、信號(hào)發(fā)生器等多種應(yīng)用場(chǎng)景。工程師在設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)具體需求選擇合適的型號(hào)，并合理配置寄存器和外部電路，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能表現(xiàn)。你在使用這些DAC的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。