幾乎對于所有的電子產(chǎn)品來說，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)都在其中扮演者至關(guān)重要的角色，因為它決定了模擬與數(shù)字世界間的信息傳遞質(zhì)量、數(shù)量和速度，決定著電子產(chǎn)品終表現(xiàn)的性能。無論是消費電子設(shè)備中的音頻和視頻還是汽車電子、無線基站，甚至深空探測儀器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換對于設(shè)備和任務(wù)的成功都起著關(guān)鍵作用。

　　設(shè)計工程師通常都非常熟悉數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的一般指標(biāo)特性，例如分辨率、采樣速度和功耗。但是，很多時候其他特性一樣很關(guān)鍵，例如隨著電池供電的便攜式醫(yī)療、通信及計算設(shè)備的應(yīng)用的普及，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的低功耗特性越來越重要。此外，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器相關(guān)的信號鏈設(shè)計將決定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的終表現(xiàn)。事實上，這些信號鏈電路的設(shè)計很大程度上依賴于工程師的經(jīng)驗，對于缺乏高性能混合電路設(shè)計經(jīng)驗的工程師來說具有很大的挑戰(zhàn)。

　　為幫助工程師設(shè)計出滿足應(yīng)用需求的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路，的高性能信號處理解決方案供應(yīng)商和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器市場份額者ADI公司為工程師提供了大量提高設(shè)計便利性的工具和資源，如評估板、仿真軟件、實驗室電路，等等。本文以2011年多次獲得媒體大獎的業(yè)界快的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）產(chǎn)品AD9467為例，介紹如何利用ADI提供的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路應(yīng)用設(shè)計資源實現(xiàn)高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。

　　高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成功應(yīng)用

　　AD9467是一款16位、單芯片中頻采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，針對高性能、寬帶寬和易用性而優(yōu)化。這款產(chǎn)品以250 MSPS（每秒百萬采樣）的轉(zhuǎn)換速率工作，設(shè)計用于要求高動態(tài)范圍的無線接收機(jī)、儀器儀表和測試設(shè)備。AD9467非常適合于多載波多模手機(jī)接收機(jī)、天線陣列定位、功率放大器線性化、寬帶無線、雷達(dá)、紅外成像、通信儀器等應(yīng)用。該產(chǎn)品獲得行業(yè)的先進(jìn)信號、圖像和傳感器處理解決方案提供商Mercury Computer Systems公司率先成功應(yīng)用。

圖1:Mercury Computer Systems公司推出的高性能DCM-8R250-VXS.

　　Mercury的新款8通道、16位、250MHz DCM-8R250-VXS就采用了ADI公司新款16位、250MSPS AD9467模數(shù)轉(zhuǎn)換器。DCM-8R250-VXS要求超高分辨率和吞吐率，而AD9467業(yè)界快的16位ADC系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了的產(chǎn)品性能。AD9467在高達(dá)140-MHz的信號頻率下以及250MSPS的采樣頻率下具有高動態(tài)范圍和75dBFS的信噪比。對于將DCM-8R250-VXS用于雷達(dá)應(yīng)用等領(lǐng)域的Mercury客戶來說，AD9467提供的高信噪比和無雜散動態(tài)范圍（>90 dB）可確保能以更高的采集和跟蹤更小的目標(biāo)，從而將雷達(dá)系統(tǒng)靈敏度提升至新的水平。此外，AD9476片上資源十分豐富：具有片上參考；高輸入阻抗的緩沖器可以調(diào)整模擬輸入范圍；片上輸出時鐘簡化數(shù)據(jù)捕捉；片上時鐘占空比穩(wěn)定器可以在很寬的輸入時鐘脈寬的情況下保證ADC的性能。

　　Mercury其客戶群涵蓋航空航天和防務(wù)、國土安全、電信及其他具有密集計算要求的行業(yè)，過去20多年里，Mercury一直依賴于ADI公司的高性能元器件和世界一流的客戶支持來滿足其嵌入式計算系統(tǒng)的挑戰(zhàn)性設(shè)計目標(biāo)。

　　單獨的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器很多時候并不能輕松的轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的高性能，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的信號調(diào)理電路同樣至關(guān)重要，Mercury在DCM-8R250-VXS中采用了大量其他的ADI精密元器件，包括超低噪聲150mA ADP150和可調(diào)輸出300 mA低壓差線性調(diào)節(jié)器ADP171A.這些器件的低壓差特性提升了效率，并使器件可工作在很寬的輸入電壓范圍。

　　盡管Mercury公司具有強(qiáng)大的系統(tǒng)開發(fā)能力，但在DCM-8R250-VXS的開發(fā)過程中，ADI在設(shè)計項目的每一個環(huán)節(jié)提供全面的工程技術(shù)支持也是確保Mercury系統(tǒng)設(shè)計取得成功的同樣關(guān)鍵的因素。ADI幫助Mercury及時取得元器件樣片并直接聯(lián)系其元器件和評估板設(shè)計人員，確保Mercury能夠充分減小設(shè)計復(fù)雜度、加快產(chǎn)品面市時間。

　　事實上，工程師如何通過良好的電路設(shè)計獲得期望的目標(biāo)性能通常具有較大的挑戰(zhàn)性，像Mercury公司這樣，借助半導(dǎo)體方案提供商的全面輔助設(shè)計資源是有效的解決辦法。

　　評估工具解決選型困惑

　　工程師在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計首先面臨的挑戰(zhàn)應(yīng)該是在眾多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中選擇恰當(dāng)?shù)钠骷?，并進(jìn)行性能綜合評估。ADI為像AD9467這樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供了便利的評估板硬件和相關(guān)軟件。

　　針對模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器應(yīng)用，ADI提供了大量的評估工具供工程師靈活使用。例如，針對模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路：ADIsimADC在線模數(shù)轉(zhuǎn)換行為模型可以模擬ADI許多高速轉(zhuǎn)換器的典型性能特征，該模型能忠實再現(xiàn)與靜態(tài)和動態(tài)特性相關(guān)的各種誤差，例如交流線性度、時鐘抖動以及其它許多產(chǎn)品相關(guān)異常；ADC Analyzer是一款工具，能夠運行行為模型并配置評估板；VisualAnalog進(jìn)一步擴(kuò)展了上述概念，允許設(shè)計人員定制輸入信號和數(shù)據(jù)分析方法，用戶可以由正弦波、噪聲源和矢量數(shù)據(jù)構(gòu)建輸入信號，觀察ADC在實際條件下將如何工作。

　　ADI還針對主要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供了硬件評估板供工程師使用。以AD9467為例，其評估板提供了所有各種必要的支持電路，以便在各種模式和配置下對其進(jìn)行性能評估。如何利用評估板進(jìn)行評估配置，ADI還提供了詳細(xì)的視頻操作指南。硬件評估板附帶的ADC Analyzer軟件也包含了ADIsimADC,行為模型可以獨立進(jìn)行評估，或者與實際評估板配合進(jìn)行評估。而提供的虛擬評估板可實現(xiàn)對大多數(shù)能夠在實際評估板上測試的相同測試進(jìn)行仿真，并且不需要任何設(shè)備。只需ADC Analyzer和產(chǎn)品模型文件，非常簡單。

　　另外，值得指出的是，高速ADC往往需要外部高差分時鐘輸入，為此ADI同時還提供多種高時鐘IC,例如AD9516/7/8和AD9523/4.對于外部時鐘源的設(shè)計，ADI提供了ADIsimCLK仿真軟件以簡化時鐘設(shè)計，方便工程師進(jìn)行抖動/相位噪聲等指標(biāo)的規(guī)劃和評估。

圖2:AD9467評估及數(shù)據(jù)采集電路板。

　　實驗室電路幫助克服設(shè)計挑戰(zhàn)

　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的信號鏈設(shè)計通常對很多工程師來說是具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，特別是高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。為此，ADI針對常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供具有極強(qiáng)參考價值的實驗室電路，利用ADI團(tuán)隊的設(shè)計能力將通常應(yīng)用中可能遇到的技術(shù)問題在實際電路中予以解決。這些經(jīng)過構(gòu)建和測試可以確保功能和性能的電路設(shè)計，解決了多種常見的模擬、RF/IF和混合信號設(shè)計挑戰(zhàn)。此外，這些實驗室電路還具有完備的文檔，易于學(xué)習(xí)、理解和集成。

　　在AD9467的實驗室電路中，ADI技術(shù)團(tuán)隊針對常用的寬帶接收機(jī)前端提供了完整的設(shè)計。該電路為AD9467選擇了理想的驅(qū)動器ADL5562,經(jīng)過低通濾波器一直到ADC的全差分架構(gòu)可提供良好的高頻共模抑制性能，并能使二階失真產(chǎn)物；三階巴特沃茲抗混疊濾波器根據(jù)放大器和ADC的性能與接口要求進(jìn)行優(yōu)化；濾波器網(wǎng)絡(luò)和其它組件引起的總插入損耗僅有1.8 dB.

　　為實現(xiàn)的綜合性能，該電路的每個器件參數(shù)都進(jìn)行了精心的計算：為實現(xiàn)性能，ADL5562加載一個200 Ω的凈差分負(fù)載；15 Ω串聯(lián)電阻將濾波器電容與放大器輸出端隔離，243 Ω電阻與下游阻抗并聯(lián)，加上30 Ω串聯(lián)電阻后，產(chǎn)生203 Ω的凈負(fù)載阻抗；與ADC并聯(lián)的511 Ω電阻用于降低ADC的輸入阻抗； 三階巴特沃茲濾波器源阻抗38.6 Ω，負(fù)載阻抗269 Ω……該實驗室電路的整體1dB通帶平坦度為152MHz,120MHz模擬輸入下測得的SNR和SFDR分別為72.6 dBFS和82.2 dBc.

圖3:基于AD9467的16位、250 MSPS寬帶接收機(jī)前端實驗室電路。

　　高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用設(shè)計很多時候高度依賴于適當(dāng)?shù)腜CB布局，包括電源旁路、受控阻抗線路、組件布局、信號布線以及電源層和接地層等，ADI實驗室電路團(tuán)隊對AD9467的寬帶接收機(jī)前端實驗室電路提供了有關(guān)高速ADC和放大器的PCB布局布線的詳細(xì)信息，提供的數(shù)十個相關(guān)文件可以讓設(shè)計工程師提前考慮到設(shè)計中可能遇到的方方面面。同時，實驗室電路團(tuán)隊還針對里面的器件選型提供實用的參考意見，如AD9467的寬帶接收機(jī)前端實驗室電路的濾波器中的無源組件應(yīng)使用低寄生效應(yīng)的表貼電容、電感和電阻、所選的電感為Coilcraft 0603CS系列、濾波器使用的表貼電容為5%、C0G、0402型……

　　由于實驗室電路更多地是針對普遍的應(yīng)用，設(shè)計中對每個參數(shù)一視同仁，而沒有針對某些具體應(yīng)用中可能的獨特的應(yīng)用要求進(jìn)行優(yōu)化，例如的功耗或更高的帶寬。為此，實驗室電路設(shè)計團(tuán)隊通常還針對工程師可能遇到的實際狀況提出更具針對性的意見。針對AD9467的應(yīng)用，對于不同的帶寬和功耗要求，實驗室電路團(tuán)隊提出如下建議：要求較窄帶寬、較低功耗的應(yīng)用，可以使用差分放大器 ADL5561（ADL5561的帶寬為2.9GHz,功耗40mA）；如果要求更低的功耗和帶寬，也可以使用ADA4950-1（帶寬為1GHz,功耗10mA）；如需更高的帶寬，可以使用6 GHz差分放大器ADL5565.這些實用的建議對于加快產(chǎn)品設(shè)計具有參考價值。

　　本文小結(jié)：

　　對于不同的項目，工程師在進(jìn)行設(shè)計時常常有更具體的性能目標(biāo)要求，例如蜂窩基站更依賴于信噪比指標(biāo)及更高的無雜散動態(tài)范圍，而不是位分辨率。如果利用ADI提供的設(shè)計資源進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計依然存在困難，ADI的技術(shù)支持團(tuán)隊還可以協(xié)助解決具體的設(shè)計難題，可以將設(shè)計需求通過ADI客戶支持中心400電話（4006-100-006）進(jìn)行實時溝通，或者在ADI公司技術(shù)論壇（https://bbs.ednchina.com/FORUM_LIST_10107_33_0.HTM）提交設(shè)計問題，具有豐富設(shè)計經(jīng)驗的ADI技術(shù)支持團(tuán)隊將能提供滿意的參考意見。