基于AD9280的高速采集电路设计方案

针对大带宽采样需求，设计了基于ＡＤ９２０８的高速采集电路，通过分析时钟抖动，噪声等因素对采集电路的影响，设计了相关电路，包括低抖动时钟电路、模拟信号输入电路、电源电路，并测试了在不同输入频率下，ＡＤ９２０８的无杂散动态范围。

引　言

数字接收机在合成孔径雷达、无线电通信、以及仪器仪表等场合中占有重要地位。随着电子产业的发展，数字接收机对采样率、模拟信号输入带宽以及分辨率等要求越来越高，因此对模数转换电路的设计要求更加严格。目前高速采样系统设计达到Ｇｓｐｓ以上，除模数转换器（ＡＤＣ）本身性能指标要求外，在外围电路设计以及印刷电器板（ＰＣＢ）布线上都有很高的要求，相关芯片大部分由国外制造，国内正处于发展期，相关技术需求越来越高，因此对高带宽、高分辨率的模数转换电路研究具有重要的意义。

本文选用ＡＤＩ公司生产的３Ｇｓｐｓ、１４Ｂｉｔ　ＡＤＣ芯片ＡＤ９２０８，分析其性能参数以及相关影响因素，进行了采集电路设计，重点分析设计了时钟电路、模拟信号输入电和电源电路，保证时钟、模拟信号输入通道和电源满足设计要求。

１　采样电路影响因素分析

信噪比是采样电路最关键的性能指标，式（１）表示了信噪比与量化噪声，热噪声和时钟抖动的关系：

 

 

 

 

式中：ｔＪ-Ｃｌｏｃｋ-Ｉｎｐｕｔ来源于时钟电路；ｔＪ-Ａｎａｌｏｇ-Ｉｎｐｕｔ来源于模拟信号输入电路。

通过查询ＡＤ９２０８技术手册，ｔＪ-Ａｎａｌｏｇ-Ｉｎｐｕｔ＝５５ｆｓ，ｔＪ-Ｃｌｏｃｋ-Ｉｎｐｕｔ＝０，ｆＡ ＝３ＧＨｚ，将其代入式（４）可得到在３ＧＨｚ理想模拟信号输入条件下，理想的采样电路信噪比σＳ／Ｎｉｄｅａ-ａｄｃ＝５９．６８ｄＢ。在采样电路设计中，为提高信噪比性能，应尽可能减少时钟抖动ｔＪ-Ｃｌｏｃｋ-Ｉｎｐｕｔ和模拟信号输入抖动ｔＪ-Ａｎａｌｏｇ-Ｉｎｐｕｔ。

２　采集电路分析与设计

采集电路设计以ＡＤ９２０８为核心，其结构如图１所示，外部接口主要包括模拟信号输入，采样时钟输入，电源，以及ＳＥＲＤＥＳ传输所需要的时钟和传输通道。

 

 

 

 

图１　ＡＤ９２０８结构示意图

根据ＡＤ９２０８具体设计要求，设计的采集电路主要包括前端模拟输入电路、时钟电路、供电电路、数据接收电路和管理配置电路等，如图２所示。据第１节所述，时钟电路和模拟信号输入电路至关重要，同时电源供电是保证电路工作的重要因素，本节将进行详细分析和设计。

 

 

 

 

图２　采集电路原理示意图

２．１　时钟电路分析与设计

高速ＡＤＣ需要１个低抖动的高频采样时钟，通常由时钟源和锁相环（ＰＬＬ）电路产生，除选择良好的时钟源，ＰＬＬ电路的设计至关重要，高速ＡＤＣ需要的采样时钟带宽较高，因此可采用２级ＰＬＬ结构，第１级ＰＬＬ环路滤波器带宽较窄，滤除鉴相器输出的谐波分量，为ＰＬＬ２提供了１个高精度、低相噪的参考时钟，以期ＰＬＬ２为高速ＡＤＣ提供大带宽、低抖动的采样时钟。ＰＬＬ级联方式如图３所示．式（５）表示了输出频率Ｆｏｕｔ和时钟源频率Ｆｒｅｆ的关系：

 

 

 

 

任何时钟电路均会产生时钟抖动，时钟电路总抖动ｔＪ-Ｃｌｏｃｋ-Ｉｎｐｕｔ包括时钟源、ＰＬＬ电路、分频电路等各种级联电路抖动的均方根。ＡＤ９０２８在３Ｇ理性模拟信号下信噪比σＳ／Ｎｉｄｅａ-ａｄｃ ＝５９．６８ｄＢ，为保证设计要求，最终信噪比应在５３ｄＢ以上，将σＳ／Ｎ ＝ ５３ｄＢ，ｔＪ-Ａｎａｌｏｇ-Ｉｎｐｕｔ＝５５ｆｓ，ｆＡ ＝３ＧＨｚ，ｔＪ-Ａｎａｌｏｇ-Ｉｎｐｕｔ＝０，代入式（３）和式（４）可计算出ｔＪ-Ｃｌｏｃｋ-Ｉｎｐｕｔ＝９５ｆｓ。因此在时钟电路设计时应选择时钟抖动在９５ｆｓ以下的器件。

本设计中，为简化电路，选择Ｔｉ 公司的ＬＭＫ０４８２８，时钟抖动为９０ｆｓ，满足时钟抖动要求。支持双ＰＬＬ级联工作模式，且Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ２１、Ｎ２２可自动配置，锁定后时可以同时输出多路时钟，满足ＡＤＣ采样、数据发送和ＦＰＧＡ 数据接收的时钟要求，保证时钟同步。图４为设计的时钟电路原理框图。

 

 

 

 

图４　时钟电路原理框图

２．２　模拟信号输入电路分析与设计

目前，用来驱动ＡＤＣ 的方案主要有变压器和差分放大器２种。第一，变压器是无源器件，不需要消耗功率，且一般认为它引入的噪声是可忽略的。第二，差分放大器是有源器件，需要消耗能量，具有一定的谐波失真和较宽频带内的白噪声，会降低ＡＤＣ的信噪比和有效分辨率。

本次设计模拟信号从同轴电缆接插件中输入为单端信号，ＡＤ９２０８模拟输入通道为差分形式，虽然放大器也能实现该功能，但变压器为无源器件，并且具有电流隔离功能，带宽更宽，功耗低，且不引入噪声，对ＳＮＲ没有影响。为满足ＡＤ９２０８信号输入带宽，选用型号为ＢＡＬ－０００６ＳＭＧ的ＢＡＬＵＮ 射频变压器，阻抗５０Ω。

在将模拟信号转换为差分信号后，需要进行阻抗匹配，根据ＡＤ９２０８输入阻抗要求，设计的模拟信号输入电路原理框图如图５所示。

 

 

 

 

图５　模拟信号调理框图

２．３　电源电路设计

高速ＡＤＣ电路设计中，要确保电源来源及目的端的电压及电流满足需求。一般会涉及多种电源，分布式电源架构往往更适合高速电路设计，即采用２级电源转换，第１级电源的目的是获得中间电源，同时为单板提供电源隔离保护，允许输出较大的纹波和噪声，第２级电源的目的是输出器件所需要的电源，重点是限制输出端的噪声和纹波。如图６所示。

 

 

 

 

图６　分布式电源框图

通用的电源包括开关型ＤＣ－ＤＣ和低压差线性稳压器（ＬＤＯ），开关型ＤＣ－ＤＣ效率高，能实现隔离保护，ＬＤＯ电源相对于ＤＣ－ＤＣ电源纹波小、稳定性高，但输出电流较小。显然在分布式电源架构中，第１级适合采用开关型ＤＣ－ＤＣ，以提供隔离保护和更高的转换效率，第２级电源采用ＬＤＯ电源，以提供精确的电压和纹波抑制。在设计时，ＬＤＯ电源电路为器件直接供电，应注意输出电压精度、压降、延时、散热、纹波抑制（ＰＳＲＲ）等。以ＴＰＳ７Ａ９１为例，该器件在负载和温度范围内精度达１％，ＬＤＯ功耗为输出电流与压降的乘积，在满足目的器件所需电压的情况下，应尽可能减少压降，其中包括合理降低输入电压，增加散热以降低电源温度，从而减少电源功耗，获取更高效率。式（６）表示了压降与额定电流的关系：

 

 

 

 

显然降低压降可以减少功耗，抑制纹波。因此在ＬＤＯ电源设计时，在满足输出电压的要求下，应尽可能减少输入电压。

目前器件集成度越来越高，内部晶体管数量越来越大，受器件电源管脚数目限制，外部电源需给内部电路提供公共的供电节点，此时器件供电处的噪声会通过内部电路传播，影响器件内部工作稳定包括晶振、ＰＬＬ、延时锁相环（ＤＬＬ）的抖动特性，ＡＤ转换电路的转换精度，严重时甚至引起逻辑错误。器件供电引脚处的噪声主要来源于电源本身输出纹波，器件因逻辑转换产生的瞬态电流，电源无法实时响应目的器件对电流需求的快速变化，信号通过过孔换层引起的电源噪声。其中包括选用低纹波电源器件，在目的器件管脚处放置旁路电容作为电荷缓冲池以满足器件对电流需求的快速变化，滤波以消除噪声。

降低输出噪声ＶＯＵＴ（ｆ），需提高电源的纹波抑制和降低输入噪声。除选用高纹波抑制电源器件，还需要在电源参考电压处增加合适的前馈电容。综上，电容在电源电路中占有十分重要的地位。

电容的本质是储存电荷和释放电荷，因此作为电荷缓冲池容易满足器件工作电压不随电流和功耗的剧烈变化而变化。同时电容阻抗Ｚ ＝１／（ｊωＣ），频率不同，电容阻抗不同。高速设计中，电源噪声往往占据不同的频带，且电容并不是纯粹电容，同时包含电容分量和电阻分量，如图７所示。

 

 

 

 

图７　电容分量示意图

因此在选取不同电容增强滤波特性时，不仅考虑电容值，还应考虑封装和材料不同影响的其他特性。以某厂家提供的０６０３封装１μＦ，０６０３封装０．０１μＦ，０４０２封装０．０１μＦ阻抗曲线来分析，如图８所示，显然只选用０６０３封装１μＦ和０６０３封装０．０１μＦ并未拓宽低阻抗频带，选用０６０３封装１μＦ和０４０２封装０．０１μＦ可以拓宽低阻抗频带，并联放置相同电容可以获得更低阻抗。

 

 

 

 

图８　并联阻抗图

３　验　证

在完成板卡基础调试后，利用信号源产生步进１００ＭＨｚ的模拟信号，并将采集数据进行快速傅里叶变换（ＦＦＴ），图９为１９２０ＭＨｚ模拟信号输入下，计算得到的无杂散动态范围，图１０将各频点得到的数据根据式（２）转换为有效位数曲线，可以验证电路采样位数在９．６～１２ 位，发挥了ＡＤ９２０８性能，满足设计要求，为后续数据处理提供了良好的平台。

 

 

 

 

图９　ＦＦＴ数据图

 

 

 

 

图１０　ＥＮＯＢ对照图

４　结束语

本文通过分析ＡＤＣ信噪比性能影响因素，明确时钟抖动、信号输入对提高ＡＤＣ性能有着重要的影响，详细分析和设计了时钟电路、模拟信号输入电路和电源电路。最后通过输入各频点模拟信号测试，对比ＡＤ９２０８手册提供的数据，验证了采集电路性能，为后续数据处理打下了基础。

作者：王德恒，刘文政

来源：舰船电子对抗