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）

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，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度、精度、功耗和動態(tài)性能等關(guān)鍵性能指標不斷提出更高的要求。針對模數(shù)轉(zhuǎn)換的實際應(yīng)用，提出并設(shè)計了一種基于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。這款A(yù)/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)創(chuàng)新點在于其完美的實現(xiàn)高動態(tài)性能的同時又能擁有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。人類數(shù)字化的浪潮推動了A/D、D/A轉(zhuǎn)換器不斷變革，現(xiàn)在，在通信產(chǎn)品、消費類產(chǎn)品、工業(yè)醫(yī)療儀器乃至軍工產(chǎn)品中無一不顯現(xiàn)A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的身影，可以說，A/D、D/A轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為人類實現(xiàn)數(shù)字化的先鋒。

隨著混合信號電路在數(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)計成為了關(guān)注的重點和難點。尤其是在信息應(yīng)用中，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度、精度、功耗、和動態(tài)性能等關(guān)鍵性能指標都提出了更高的要求。設(shè)計系統(tǒng)的實用性及適用性不僅取決于實現(xiàn)效率更高、精度更高、功耗更小的系統(tǒng)，同時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)用價值的標準。為此，針對模數(shù)轉(zhuǎn)換的實際應(yīng)用，提出并設(shè)計了一種基于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。

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)新點在于其完美的實現(xiàn)高動態(tài)性能的同時又能擁有1.8 V超低功耗。這一特性使得ADS4249非常適合多載波，寬帶通信的信號處理應(yīng)用。

ADS4249具有可被用于改善動態(tài)范圍性能較低的滿量程輸入范圍的增益選擇，同時包含了一個可以用于消除ADC偏移的偏移校正回路。ADS4249具有可以單獨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)字輸出信號都可以在一個緊湊的qfn-64powerpad?包內(nèi)加載。

該器件采用無引線QFN封裝取代了傳統(tǒng)的外引腳及相關(guān)的去耦電容。其工作溫度可達到工業(yè)級（-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。在輸入時鐘發(fā)起的每一個上升沿，每個信道的模擬輸入信號都被在同一時間采樣。在每個信道中的采樣信號都將轉(zhuǎn)換成一系列低分辨率階躍，在每個階躍中采樣或保持信號又被轉(zhuǎn)換成一個高速，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)较乱患壍脑鲆娌煌?/p>

在每一個時鐘，每個下級信號將采樣信號分解的更加精準。所有階躍的數(shù)字輸出信號組合成一個數(shù)字校正邏輯塊，同時在16個時鐘周期數(shù)據(jù)延時產(chǎn)生最終的數(shù)字化輸出代碼。這個代碼可以用于DDR LVDS或并聯(lián)CMOS，同時編碼或者直偏移二進制或二進制補碼格式。最初的一級的子ADC的動態(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

模擬輸入由一個基于開關(guān)電容的微分S/H結(jié)構(gòu)組成，這種微分拓撲布局保證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550 MHz是具有3-dB帶寬（測量值源于輸入引腳的電壓取樣）。 模擬輸入信號的等效電路如圖1所示。

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

1.3 驅(qū)動電路

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

這里值得注意的是：3種驅(qū)動電路在ADC附近的50 Ω處中止。這是由設(shè)備的0.95 VCM到每個25 Ω輸入引腳完成的。這種結(jié)構(gòu)允許模擬輸入信號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誤匹配將導(dǎo)致偶次諧波性能退化。串連2個相同的RF變壓器則有助于減少這種不匹配性，對于高頻輸入信號將會有更好的性能表現(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Fig.2 Drive circuit with low bandwidth

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

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

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

以上3種驅(qū)動電路設(shè)計均為50 Ω輸入阻抗的1:1變壓器，在驅(qū)動電路的要求這一部分我們提到，這種電路結(jié)構(gòu)設(shè)計有助于產(chǎn)生一個用于吸收采樣信號的2短時脈沖干擾信號的低源阻抗。對于1:4的變壓器來說，其源阻抗為200 Ω，這樣較高的源阻抗是無法有效吸收采樣信號的短時脈沖干擾信號的，同時自身性能也相對于1:1變壓器有所下降。

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

圖5 連接1:4變壓器的驅(qū)動電路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 （例如測試圖形、增益表現(xiàn)、偏差校正）。這些功能的實現(xiàn)需要配合額外的增加總體延遲的時鐘線路和設(shè)備電源。這些數(shù)字功能在源ADC輸出信號通過一個有16個時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)置后將無法繼續(xù)使用。在使用任何數(shù)字功能時，EN DIGITAL為必須被置為“1”，在這之后，相應(yīng)的寄存器位再進行邏輯編程。圖6是ADC數(shù)字處理過程的詳細內(nèi)容。

3 數(shù)字輸出信息

ADS4249可以提供14位數(shù)字信號信道，同時伴隨輸出數(shù)字信號還有一個同步的輸出時鐘。

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ADS4249組成，先對模擬視頻信號濾波并分離出R、G、B三基色信號，再分別對三基色信號采樣、量化，產(chǎn)生各自相對應(yīng)的8位數(shù)據(jù)，最終形成24位的圖像像素數(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)計充分體現(xiàn)了ADS4249雙通道采樣的設(shè)計思想，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進行A/D轉(zhuǎn)換，除了具有低功耗，高速處理能力的特點之外，其250 MSPS的最大采樣率，總功耗僅560 mW，可編程增益高達6分貝等特性，非常使用于多載波，寬帶通信、無線通信基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)采集處理及測量等多領(lǐng)域。

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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：201110067

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