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（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所 陜西 西安 710068）

高性能低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS4249的介紹及其應(yīng)用

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（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所 陜西 西安 710068）

現(xiàn)代信息處理應(yīng)用中，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度、精度、功耗和動(dòng)態(tài)性能等關(guān)鍵性能指標(biāo)不斷提出更高的要求。針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)際應(yīng)用，提出并設(shè)計(jì)了一種基于TI公司生產(chǎn)的雙通道14位250MSPS低功耗A/D轉(zhuǎn)換器ADS4249的RGB視頻編碼器電路設(shè)計(jì)。這款A(yù)/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于其完美的實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)又能擁有1.8 V超低功耗。這一特性使得ADS4249非常適合多載波，寬帶通信的信號(hào)處理應(yīng)用。

雙通道；低功耗；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；多載波；寬帶通信

伴隨半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，A/D、D/A轉(zhuǎn)換器近年也呈現(xiàn)高速發(fā)展的趨勢(shì)。人類數(shù)字化的浪潮推動(dòng)了A/D、D/A轉(zhuǎn)換器不斷變革，現(xiàn)在，在通信產(chǎn)品、消費(fèi)類產(chǎn)品、工業(yè)醫(yī)療儀器乃至軍工產(chǎn)品中無(wú)一不顯現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的身影，可以說(shuō)，A/D、D/A轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為人類實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的先鋒。

隨著混合信號(hào)電路在數(shù)據(jù)傳輸、通信等領(lǐng)域中發(fā)揮著日益重要的作用，高帶寬、高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成為了關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。尤其是在信息應(yīng)用中，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度、精度、功耗、和動(dòng)態(tài)性能等關(guān)鍵性能指標(biāo)都提出了更高的要求。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)用性及適用性不僅取決于實(shí)現(xiàn)效率更高、精度更高、功耗更小的系統(tǒng)，同時(shí)還要使之滿足更高性能的規(guī)范要求。因此，如何提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的高帶寬、高性能性能及低功耗是衡量系統(tǒng)是否具有良好的應(yīng)用價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)。為此，針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)際應(yīng)用，提出并設(shè)計(jì)了一種基于TI公司生產(chǎn)的雙通道14位250 MSPS低功耗A/D轉(zhuǎn)換器ADS4249的RGB視頻編碼器電路設(shè)計(jì)。

ADS4249，作為TI雙通道ADS42微功耗12/14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器家族的新成員，這款A(yù)/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)在于其完美的實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)又能擁有1.8 V超低功耗。這一特性使得ADS4249非常適合多載波，寬帶通信的信號(hào)處理應(yīng)用。

ADS4249具有可被用于改善動(dòng)態(tài)范圍性能較低的滿量程輸入范圍的增益選擇，同時(shí)包含了一個(gè)可以用于消除ADC偏移的偏移校正回路。ADS4249具有可以單獨(dú)使用并行或串行接口控制程序的功能，DDR LVDS和CMOS并平接口數(shù)字輸出信號(hào)都可以在一個(gè)緊湊的qfn-64powerpad?包內(nèi)加載。

該器件采用無(wú)引線QFN封裝取代了傳統(tǒng)的外引腳及相關(guān)的去耦電容。其工作溫度可達(dá)到工業(yè)級(jí)（-40～+85℃）。

1 ADS4249應(yīng)用信息

1.1 工作原理

ADS4249是TI超低功耗系列產(chǎn)品中雙通道12/14位AD轉(zhuǎn)換器。在輸入時(shí)鐘發(fā)起的每一個(gè)上升沿，每個(gè)信道的模擬輸入信號(hào)都被在同一時(shí)間采樣。在每個(gè)信道中的采樣信號(hào)都將轉(zhuǎn)換成一系列低分辨率階躍，在每個(gè)階躍中采樣或保持信號(hào)又被轉(zhuǎn)換成一個(gè)高速，低分辨率，速閃子ADC。階躍輸入和等效量化的區(qū)別在于傳輸?shù)较乱患?jí)的增益不同。

在每一個(gè)時(shí)鐘，每個(gè)下級(jí)信號(hào)將采樣信號(hào)分解的更加精準(zhǔn)。所有階躍的數(shù)字輸出信號(hào)組合成一個(gè)數(shù)字校正邏輯塊，同時(shí)在16個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)據(jù)延時(shí)產(chǎn)生最終的數(shù)字化輸出代碼。這個(gè)代碼可以用于DDR LVDS或并聯(lián)CMOS，同時(shí)編碼或者直偏移二進(jìn)制或二進(jìn)制補(bǔ)碼格式。最初的一級(jí)的子ADC的動(dòng)態(tài)偏移量限制了模擬輸入的最大頻率約為400 MHz（2-V振幅）或者600 MHz（1-V振幅）

1.2 模擬輸入

模擬輸入由一個(gè)基于開(kāi)關(guān)電容的微分S/H結(jié)構(gòu)組成，這種微分拓?fù)洳季直ＷC了高輸入頻率下的高采樣頻率。INP和INM引腳要外偏置圍繞著0.95 V，共模電壓，作用于VCM引腳.為了保證全差分輸入，INP和INM引腳的偏置電壓必須在VCM+0.5 V和VCM 0.5 V之間保持平衡，從而保證2 V微分輸入偏置。輸入采樣電路在頻率到達(dá)550 MHz是具有3-dB帶寬（測(cè)量值源于輸入引腳的電壓取樣）。 模擬輸入信號(hào)的等效電路如圖1所示。

圖1 模擬輸入信號(hào)的等效電路Fig.1 Analog input equivalent circuit

1.3 驅(qū)動(dòng)電路

圖2～圖4為3種不同結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。這3種電路分別是：低輸入頻率下的低帶寬設(shè)計(jì)、較高輸入頻率下的高帶寬設(shè)計(jì)、極高輸入頻率下的極高帶寬設(shè)計(jì)。

這里值得注意的是：3種驅(qū)動(dòng)電路在ADC附近的50 Ω處中止。這是由設(shè)備的0.95 VCM到每個(gè)25 Ω輸入引腳完成的。這種結(jié)構(gòu)允許模擬輸入信號(hào)在所需的共模電壓附近產(chǎn)生偏移量。電感之間的變壓器的寄生電容錯(cuò)誤匹配將導(dǎo)致偶次諧波性能退化。串連2個(gè)相同的RF變壓器則有助于減少這種不匹配性，對(duì)于高頻輸入信號(hào)將會(huì)有更好的性能表現(xiàn)。

例如，ADT1-1WT可以被用于前兩種結(jié)構(gòu)電路中，如圖2、圖3所示，而ADTL2-18則可以被用于第3種結(jié)構(gòu)電路中，如圖4所示。

圖2 低輸入頻率下的低帶寬設(shè)計(jì)Fig.2 Drive circuit with low bandwidth

兩個(gè)變壓器中間可以任意選擇一對(duì)終端電阻，例如圖2、圖3和圖4。為了保持P和M端的平衡性，可以將這對(duì)終端電阻的中心點(diǎn)接地。在變壓器和焊錫面之間可以產(chǎn)生一個(gè)50 Ω終端值。

圖3 較高輸入頻率下的高帶寬設(shè)計(jì)Fig.3 Drive circuit with high bandwidth

圖4 極高輸入頻率下的極高帶寬設(shè)計(jì)Fig.4 Drive circuit with very high bandwidth

以上3種驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)均為50 Ω輸入阻抗的1:1變壓器，在驅(qū)動(dòng)電路的要求這一部分我們提到，這種電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于產(chǎn)生一個(gè)用于吸收采樣信號(hào)的2短時(shí)脈沖干擾信號(hào)的低源阻抗。對(duì)于1:4的變壓器來(lái)說(shuō)，其源阻抗為200 Ω，這樣較高的源阻抗是無(wú)法有效吸收采樣信號(hào)的短時(shí)脈沖干擾信號(hào)的，同時(shí)自身性能也相對(duì)于1:1變壓器有所下降。

在幾乎所有的電路設(shè)計(jì)中，想要得到較高的驅(qū)動(dòng)能力，就必須使用一個(gè)帶通或低通濾波器，如圖5所示。在這里，濾波器的使用可以有效的產(chǎn)生一個(gè)用于吸收采樣信號(hào)的2短時(shí)脈沖干擾信號(hào)的低源阻抗，同時(shí)還可以減少高源阻抗帶來(lái)的性能上的損耗。

圖5 連接1:4變壓器的驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 Drive circuit with a 1:4 transformer

2 數(shù)字功能

該器件擁有幾種較為常用的數(shù)字功能 （例如測(cè)試圖形、增益表現(xiàn)、偏差校正）。這些功能的實(shí)現(xiàn)需要配合額外的增加總體延遲的時(shí)鐘線路和設(shè)備電源。這些數(shù)字功能在源ADC輸出信號(hào)通過(guò)一個(gè)有16個(gè)時(shí)鐘周期的延遲的輸出數(shù)據(jù)引腳發(fā)送出去或者被重新設(shè)置后將無(wú)法繼續(xù)使用。在使用任何數(shù)字功能時(shí)，EN DIGITAL為必須被置為“1”，在這之后，相應(yīng)的寄存器位再進(jìn)行邏輯編程。圖6是ADC數(shù)字處理過(guò)程的詳細(xì)內(nèi)容。

3 數(shù)字輸出信息

ADS4249可以提供14位數(shù)字信號(hào)信道，同時(shí)伴隨輸出數(shù)字信號(hào)還有一個(gè)同步的輸出時(shí)鐘。

圖6 數(shù)字處理模塊Fig.6 Digital processing block

ADS4249擁有兩種數(shù)字輸出接口，它們分別是DDR LVDS和并行CMOS。這兩種接口可以被用于串行接口寄存器或在并行結(jié)構(gòu)模式下用于SEN引腳的電壓設(shè)置。

4 應(yīng)用電路

圖7是一個(gè)基于雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS4249的RGB視頻編碼器。視頻編碼器由兩個(gè)ADS4249組成，先對(duì)模擬視頻信號(hào)濾波并分離出R、G、B三基色信號(hào)，再分別對(duì)三基色信號(hào)采樣、量化，產(chǎn)生各自相對(duì)應(yīng)的8位數(shù)據(jù)，最終形成24位的圖像像素?cái)?shù)據(jù)。

圖7 基于ADS4249的RGB視頻編碼器電路Fig.7 RGB video encoder circuit based on ADS4249

5 結(jié) 論

該設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了ADS4249雙通道采樣的設(shè)計(jì)思想，從而使得圖像編碼更加方便，圖像數(shù)據(jù)的精度也有了很大提高，完全能夠滿足絕大多數(shù)數(shù)字圖像處理的需要。

采用ADS4249進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，除了具有低功耗，高速處理能力的特點(diǎn)之外，其250 MSPS的最大采樣率，總功耗僅560 mW，可編程增益高達(dá)6分貝等特性，非常使用于多載波，寬帶通信、無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)采集處理及測(cè)量等多領(lǐng)域。

[1]黃玉蘭.ADS射頻電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型應(yīng)用[M].北京：北京人民郵電出版社，2010.

[2]陳邦源.射頻通信電路[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3]孟林，楊勇，牛磊，等.射頻低噪聲放大器的ADS設(shè)計(jì)[J].電子質(zhì)量，2007（3）:42-49.

MENG Lin，YANG Yong，NIU Lei，et al.Designing RF low noise amplifier with ADS[J].Electronics Quality，2007（3）:42-49.

[4]洪志良.模擬集成電路分析與設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社，2011.

[5]陳艷華，李朝暉，夏瑋.ADS應(yīng)用詳解——射頻電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6]夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[7]龍光利.基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（05）:93-95.

LONG Guang-li.Design of digital spread-spectrum transceiver based on embedded system [J].Modern Electronics Technique，2009（05）:93-95.

Introduction and application of a low power high performance ADC ADS4249

ZHANG Tian
（Xi’an Navigation Technology Research Institute，Xi’an710068，China）

A/D converter used in information processing applications，is required with the higher performance such as the speed， accuracy， power and the dynamic performance.In the light of practical application， the RGB video encoder circuit is desighed based on ADS424，a member of the ADS42xx ultralow-power family of dual-channel， 12-bit/14-bit analog-to-digital converters （ADCs）.Innovative design techniques are used to achieve high dynamic performance， while consuming extremely low power with a 1.8 V supply.This topology makes the ADS4249 well-suited for multi-carrier，wide-bandwidth communications applications.

dual-channel； ultralow-power； analog-to-digital converters； multi-carrier； wide-bandwidth communicatio

TP302

A

1674－6236（2012）03-0094-03

2011-10-16 稿件編號(hào)：201110067

張 甜（1981—），女，陜西西安人，碩士，經(jīng)濟(jì)師。研究方向：電子信息。