高級動態性能模數轉換器

摘要：本文介紹了美國國家半導體公司推出的ADC12C／DSxxx與ADC14C／DSxxx系列ADC的性能及其接口解決方案。

關鍵詞：ADC；LVDS；數據轉換器

ADC12C／DSxxx與ADC14C／DSxxx

ADC12C／DSxxx與ADC14C／DSxxx系列模數轉換器內置高性能的采樣及保持放大器和高精度帶隙電壓參考電路，輸入帶寬高達1GHz，因此可以支持中頻采樣工作。此外，這系列芯片輸入方面有單及雙通道，而輸出方面有并行CMOS及串行LVDS可供選擇，更容易將FPGA或ASIC與模擬／數字轉換器連接一起。這系列芯片的各型號產品都引腳兼容，確保系統可以輕易由12位升級至14位，部分芯片更可在攝氏-40至+85℃的廣闊工業溫度范圍內工作。單通道的型號采用32引腳的LLP封裝，尺寸5mm×5mm，而雙通道的型號則采用60引腳的LLP封裝，尺寸9mm×9mm。

這系列模數轉換器若以1GHz以上的滿功率帶寬工作，則具有優良的動態性能及線性度，功耗較低。這系列芯片若以高達300MHz的輸入頻率工作，其無雜散信號動態范圍(SFDR)可高達80dB。若采用3.0V的供電電壓，其功耗更低至320mW。即使輸入頻率超過300MHz，信噪比仍然高達70dB以上，讓系統設計工程師可以充分利用這個低噪聲的優點，改善移動電話基站的接收能力。由于這系列芯片具有高帶寬及高采樣率的優點，因此可以支持高中頻采樣。換言之，系統無需加設下變頻級，為系統節省可觀的成本，而且低功耗的特點也令系統更穩定可靠。最后要強調的一點是，這系列芯片的帶寬很高，因此驅動器放大器不會受太多的限制，讓工程師可以精簡信號路徑的濾波系統。

若模擬輸入頻率較低，則以80MSPS的采樣率工作，其信噪比可達75dBFS，SFDR可達90dB，有效位數(ENOB)12位。若采樣率為105MSPS，信噪比可達74.5dBFS。SFDR可達90dB，ENOB可達11.9位。至于直流電方面的表現，這系列模數轉換器的輸入偏移誤差±1mV，增益誤差±0.5％FS，微分非線性(DNL)誤差±0.5LSB，而積分非線性(INL)誤差±1.5LSB。由于這系列芯片采用先進電路設計，因此功耗可降至最低，實際功耗則取決于工作頻率。由于時鐘輸出引腳的上升邊緣位于輸出信號圖的中央位置，因此系統設計工程師可以利用時鐘輸出引腳捕捉并行的CMOS輸出數據。

高速傳輸的解決方案

ADC14C105雙通道模數轉換器可將兩條通道的不同參數互相對準，在對準過程中，芯片先將所取得的CMOS時鐘輸入傳送到芯片的核心，然后由一條緩沖通道再將時鐘輸入傳送到雙通道的時鐘輸入端，整個過程只需4個CMOS柵極。此外，芯片內部區段分隔及供電路徑極為匹配，使通道間的孔徑抖動失配不超過30fs，而通道間的孔徑延遲失配則不超過50ps。此外，這款雙通道模數轉換器的通道間增益誤差失配不超過±0.2％FS，偏移失配不超過±1mV，而通道問的串音干擾則達到-95dB以上。

LVDS是個電磁干擾極低的接口解決方案，最適用于高速的數據轉換器，已成為高速數據傳輸的標準接口。串行LVDS輸出模數轉換器設有單線及雙線兩種不同的數據傳輸模式，這種設計的目的是要降低LVDS數據傳輸率一半。單線模式適用于25MSPS至65MSPS的范圍，這個范圍內的采樣率相當于350Mbps至910Mbps的數據傳輸率。雙線模式的數據傳輸率剛好是上述傳輸率的一半，因為LVDS輸出引腳的數目增加了一倍，因此，LVDS模數轉換器若采用雙線模式工作，轉換率便可提高到50MSPS至105MSPS的范圍內。

LVDS接口設有偏移模式和字對準模式兩種不同的數據捕捉方式，以便解串器更易捕捉數據，用戶則可按照個別應用的需要，選用適合的數據捕捉方式。SDO／SDI兩條通道采用字對準的模式作為預設模式。若采用偏移模式，SDO通道的數據比SD1通道的數據延遲半個字。換言之，加設雙線模式這一選項可以精簡高速數據傳輸系統的設計流程，使工程師的設計工作變得更為容易。

為了確保LVDS接口的調試功能，芯片可以支持不同的測試模式，包括預設測試模式和用戶自選測試模式。此外，這款雙通道芯片的許多功能都可加以設定，例如，可以將個別控制引腳連接電源或地線，然后進行設定，也可利用串行外圍設備接口(SPI)設定有關功能。

圖3顯示一幅典型的眼圖，圖中清楚顯示串行LVDS接口如何傳送數據。圖中的信號以80MSPS或1.12Gbps的速度傳送，信號抖動，例如隨機抖動、確定性抖動以及不同數據的不同抖動，都清楚顯示出來。以上抖動所產生的任何影響都必須計算在內，以便取得數據捕捉窗口。這款模數轉換器為數據捕捉提供90％的窗口容限。

IDCW=80MS／s×14bit=1.12Gbps=1bit／892.9ps

ADCW=100×(1－Ti／IDCW)=100×(1-85ps／892.9ps)=90.5％

公式中的IDCW是理想數據捕捉窗口，而ADCW是真實數據捕捉窗口。