设计指南之高性能数据转换器

出处:xukaiguo 发布于:2012-04-13 09:17:53

  几乎对于所有的电子产品来说,数据转换技术都在其中扮演者至关重要的角色,因为它决定了模拟与数字世界间的信息传递质量、数量和速度,决定着电子产品终表现的性能。无论是消费电子设备中的音频和视频还是汽车电子、无线基站,甚至深空探测仪器,数据转换对于设备和任务的成功都起着关键作用。

  设计工程师通常都非常熟悉数据转换器的一般指标特性,例如分辨率、采样速度和功耗。但是,很多时候其他特性一样很关键,例如随着电池供电的便携式医疗、通信及计算设备的应用的普及,数据转换器的低功耗特性越来越重要。此外,数据转换器相关的信号链设计将决定数据转换器的终表现。事实上,这些信号链电路的设计很大程度上依赖于工程师的经验,对于缺乏高性能混合电路设计经验的工程师来说具有很大的挑战。

  为帮助工程师设计出满足应用需求的高性能数据转换器电路,的高性能信号处理解决方案供应商和数据转换器市场份额者ADI公司为工程师提供了大量提高设计便利性的工具和资源,如评估板、仿真软件、实验室电路,等等。本文以2011年多次获得媒体大奖的业界快的16位模数转换器(ADC)产品AD9467为例,介绍如何利用ADI提供的大量数据转换器电路应用设计资源实现高性能数据转换电路设计。

  高性能数据转换器成功应用

  AD9467是一款16位、单芯片中频采样模数转换器,针对高性能、宽带宽和易用性而优化。这款产品以250 MSPS(每秒百万采样)的转换速率工作,设计用于要求高动态范围的无线接收机、仪器仪表和测试设备。AD9467非常适合于多载波多模手机接收机、天线阵列定位、功率放大器线性化、宽带无线、雷达、红外成像、通信仪器等应用。该产品获得行业的先进信号、图像和传感器处理解决方案提供商Mercury Computer Systems公司率先成功应用。

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

图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模数转换器。DCM-8R250-VXS要求超高分辨率和吞吐率,而AD9467业界快的16位ADC系统设计实现了的产品性能。AD9467在高达140-MHz的信号频率下以及250MSPS的采样频率下具有高动态范围和75dBFS的信噪比。对于将DCM-8R250-VXS用于雷达应用等领域的Mercury客户来说,AD9467提供的高信噪比和无杂散动态范围(>90 dB)可确保能以更高的采集和跟踪更小的目标,从而将雷达系统灵敏度提升至新的水平。此外,AD9476片上资源十分丰富:具有片上参考;高输入阻抗的缓冲器可以调整模拟输入范围;片上输出时钟简化数据捕捉;片上时钟占空比稳定器可以在很宽的输入时钟脉宽的情况下保证ADC的性能。

  Mercury其客户群涵盖航空航天和防务、国土安全、电信及其他具有密集计算要求的行业,过去20多年里,Mercury一直依赖于ADI公司的高性能元器件和世界一流的客户支持来满足其嵌入式计算系统的挑战性设计目标。

  单独的高性能数据转换器很多时候并不能轻松的转换为系统的高性能,数据转换器的信号调理电路同样至关重要,Mercury在DCM-8R250-VXS中采用了大量其他的ADI精密元器件,包括超低噪声150mA ADP150和可调输出300 mA低压差线性调节器ADP171A.这些器件的低压差特性提升了效率,并使器件可工作在很宽的输入电压范围。

  尽管Mercury公司具有强大的系统开发能力,但在DCM-8R250-VXS的开发过程中,ADI在设计项目的每一个环节提供全面的工程技术支持也是确保Mercury系统设计取得成功的同样关键的因素。ADI帮助Mercury及时取得元器件样片并直接联系其元器件和评估板设计人员,确保Mercury能够充分减小设计复杂度、加快产品面市时间。

  事实上,工程师如何通过良好的电路设计获得期望的目标性能通常具有较大的挑战性,像Mercury公司这样,借助半导体方案提供商的全面辅助设计资源是有效的解决办法。

  评估工具解决选型困惑

  工程师在进行数据转换器电路设计首先面临的挑战应该是在众多的数据转换器产品中选择恰当的器件,并进行性能综合评估。ADI为像AD9467这样的数据转换器提供了便利的评估板硬件和相关软件。

  针对模数转换器和数模转换器应用,ADI提供了大量的评估工具供工程师灵活使用。例如,针对模数转换器电路:ADIsimADC在线模数转换行为模型可以模拟ADI许多高速转换器的典型性能特征,该模型能忠实再现与静态和动态特性相关的各种误差,例如交流线性度、时钟抖动以及其它许多产品相关异常;ADC Analyzer是一款工具,能够运行行为模型并配置评估板;VisualAnalog进一步扩展了上述概念,允许设计人员定制输入信号和数据分析方法,用户可以由正弦波、噪声源和矢量数据构建输入信号,观察ADC在实际条件下将如何工作。

  ADI还针对主要的数据转换器提供了硬件评估板供工程师使用。以AD9467为例,其评估板提供了所有各种必要的支持电路,以便在各种模式和配置下对其进行性能评估。如何利用评估板进行评估配置,ADI还提供了详细的视频操作指南。硬件评估板附带的ADC Analyzer软件也包含了ADIsimADC,行为模型可以独立进行评估,或者与实际评估板配合进行评估。而提供的虚拟评估板可实现对大多数能够在实际评估板上测试的相同测试进行仿真,并且不需要任何设备。只需ADC Analyzer和产品模型文件,非常简单。

  另外,值得指出的是,高速ADC往往需要外部高差分时钟输入,为此ADI同时还提供多种高时钟IC,例如AD9516/7/8和AD9523/4.对于外部时钟源的设计,ADI提供了ADIsimCLK仿真软件以简化时钟设计,方便工程师进行抖动/相位噪声等指标的规划和评估。

图2:AD9467评估及数据采集电路板

图2:AD9467评估及数据采集电路板。

  实验室电路帮助克服设计挑战

  数据转换器的信号链设计通常对很多工程师来说是具有挑战性的任务,特别是高性能数据转换电路设计。为此,ADI针对常用的数据转换器提供具有极强参考价值的实验室电路,利用ADI团队的设计能力将通常应用中可能遇到的技术问题在实际电路中予以解决。这些经过构建和测试可以确保功能和性能的电路设计,解决了多种常见的模拟、RF/IF和混合信号设计挑战。此外,这些实验室电路还具有完备的文档,易于学习、理解和集成。

  在AD9467的实验室电路中,ADI技术团队针对常用的宽带接收机前端提供了完整的设计。该电路为AD9467选择了理想的驱动器ADL5562,经过低通滤波器一直到ADC的全差分架构可提供良好的高频共模抑制性能,并能使二阶失真产物;三阶巴特沃兹抗混叠滤波器根据放大器和ADC的性能与接口要求进行优化;滤波器网络和其它组件引起的总插入损耗仅有1.8 dB.

  为实现的综合性能,该电路的每个器件参数都进行了精心的计算:为实现性能,ADL5562加载一个200 Ω的净差分负载;15 Ω串联电阻将滤波器电容与放大器输出端隔离,243 Ω电阻与下游阻抗并联,加上30 Ω串联电阻后,产生203 Ω的净负载阻抗;与ADC并联的511 Ω电阻用于降低ADC的输入阻抗; 三阶巴特沃兹滤波器源阻抗38.6 Ω,负载阻抗269 Ω……该实验室电路的整体1dB通带平坦度为152MHz,120MHz模拟输入下测得的SNR和SFDR分别为72.6 dBFS和82.2 dBc.

图3:基于AD9467的16位、250 MSPS宽带接收机前端实验室电路

图3:基于AD9467的16位、250 MSPS宽带接收机前端实验室电路。

  高性能数据转换器的应用设计很多时候高度依赖于适当的PCB布局,包括电源旁路、受控阻抗线路、组件布局、信号布线以及电源层和接地层等,ADI实验室电路团队对AD9467的宽带接收机前端实验室电路提供了有关高速ADC和放大器的PCB布局布线的详细信息,提供的数十个相关文件可以让设计工程师提前考虑到设计中可能遇到的方方面面。同时,实验室电路团队还针对里面的器件选型提供实用的参考意见,如AD9467的宽带接收机前端实验室电路的滤波器中的无源组件应使用低寄生效应的表贴电容、电感和电阻、所选的电感为Coilcraft 0603CS系列、滤波器使用的表贴电容为5%、C0G、0402型……

  由于实验室电路更多地是针对普遍的应用,设计中对每个参数一视同仁,而没有针对某些具体应用中可能的独特的应用要求进行优化,例如的功耗或更高的带宽。为此,实验室电路设计团队通常还针对工程师可能遇到的实际状况提出更具针对性的意见。针对AD9467的应用,对于不同的带宽和功耗要求,实验室电路团队提出如下建议:要求较窄带宽、较低功耗的应用,可以使用差分放大器 ADL5561(ADL5561的带宽为2.9GHz,功耗40mA);如果要求更低的功耗和带宽,也可以使用ADA4950-1(带宽为1GHz,功耗10mA);如需更高的带宽,可以使用6 GHz差分放大器ADL5565.这些实用的建议对于加快产品设计具有参考价值。

  本文小结:

  对于不同的项目,工程师在进行设计时常常有更具体的性能目标要求,例如蜂窝基站更依赖于信噪比指标及更高的无杂散动态范围,而不是位分辨率。如果利用ADI提供的设计资源进行数据转换电路设计依然存在困难,ADI的技术支持团队还可以协助解决具体的设计难题,可以将设计需求通过ADI客户支持中心400电话(4006-100-006)进行实时沟通,或者在ADI公司技术论坛(https://bbs.ednchina.com/FORUM_LIST_10107_33_0.HTM)提交设计问题,具有丰富设计经验的ADI技术支持团队将能提供满意的参考意见。

关键词:转换器

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