ADC34RF55 技术文档总结

该ADC34RF55是一款单核 14 位、3GSPS、四通道模数转换器 （ADC），支持输入频率高达 3 GHz 的射频采样。该设计最大限度地提高了信噪比（SNR），并提供了-156 dBFS/Hz的噪声频谱密度。使用额外的内部ADC和片上信号平均，噪声密度提高到-158 dBFS/Hz。

每个ADC通道都可以使用支持相位相干跳频的48位NCO连接到双频数字下变频器（DDC）。使用GPIO引脚进行NCO频率控制，可以在不到1 μs的时间内实现跳频。
*附件：adc34rf55.pdf

这些器件支持具有子类 1 确定性延迟的 JESD204B 串行数据接口，数据速率高达 13Gbps。每个ADC通道只有2个serdes通道。因此，在旁路模式下，支持的最大输出数据速率为1.5GSPS。在片上使用更快的ADC采样率时，需要抽取。

高能效ADC架构功耗为1.2W/ch，并提供具有较低采样率的功率缩放。

特性

• 14位、四通道3GSPS ADC
• 最大输出速率：1.5-GSPS
• 噪声频谱密度：
  • -156 dBFS/Hz，无平均值
  • -158 dBFS/Hz，2 倍平均
• 单核（非交错）ADC架构
• 孔径抖动：50 fs
• 低近距离残余相位噪声：
  • 10 kHz 偏移时为 -127 dBc/Hz
• 频谱性能（f IN = 0.9 GHz，-4 dBFS）：
  • 2 倍内部平均
  • 信噪比：62.3 dBFS
  • SFDR HD2,3：63 dBc
  • SFDR 最差杂散：85 dBFS
• 频谱性能（f IN = 1.8 GHz，-4 dBFS）：
  • 2 倍内部平均
  • 信噪比：63 dBFS
  • SFDR HD2,3：68 dBc
  • SFDR 最差杂散：86 dBFS
• 输入满量程：1.1、1.35 Vpp （2、3.5 dBm）
• 代码错误率 （CER）：10 -15
• 全功率输入带宽 （-3 dB）：2.75 GHz
• JESD204B串行数据接口
  • 最大通道速率：13 Gbps
  • 支持子类 1 确定性延迟
• 数字下变频器
  • 每个ADC通道最多两个DDC
  • 复输出：4 倍至 128 倍抽取
  • 48 位 NCO 相位相干跳频
  • 快速跳频：< 1 μs
• 功耗：1.2 W/通道
• 电源：1.8 V、1.2 V

参数

方框图

一、产品概述

ADC34RF55 是德州仪器（TI）推出的四通道 14 位 3GSPS 射频采样模数转换器（ADC） ，专为高带宽、高动态范围的射频信号采集场景设计，如相控阵雷达、软件定义无线电（SDR）、频谱分析仪、高速数字化仪及电子战系统。器件采用非交错单核心 ADC 架构，集成数字下变频器（DDC）、48 位数控振荡器（NCO）与 JESD204B 高速串行接口，支持低噪声、低相位噪声的信号转换，同时具备灵活的功耗控制与多通道扩展能力，采用 64 引脚 VQFN 封装（RTD，9mm×9mm），工作温度范围 - 40~85°C，是射频信号链中的核心采样器件。

二、核心特性

（一）高采样速率与动态性能

1. 采样与输出能力
   • 最高采样速率 3GSPS，单通道最大输出速率 1.5GSPS，支持 4 通道同步采样，适配宽频段射频信号直接采样（覆盖 L 波段、S 波段）；
   • 14 位分辨率，噪声谱密度（NSD）低至 - 156dBFS/Hz（无平均）、-158dBFS/Hz（2 倍平均），有效位数（ENOB）典型值 9.7~10.0 位，确保弱信号检测精度；
   • 全功率输入带宽 2.75GHz（-3dB），支持射频信号直接采样，无需额外下变频电路，简化系统架构。
2. 低失真与相位噪声
   • 高线性度：输入频率 0.9GHz 时，无杂散动态范围（SFDR）典型值 85dBFS，二次谐波（HD2）、三次谐波（HD3）抑制比分别达 63dBc、68dBc；
   • 低抖动：孔径抖动仅 50fs，近载波残留相位噪声 - 127dBc/Hz（1kHz 偏移），避免时钟噪声对采样精度的影响；
   • 支持模拟带外抖动（Dither）功能，可优化低幅度信号的谐波失真，进一步提升动态范围。

（二）集成化数字信号处理

1. 数字下变频器（DDC）
   • 每通道最多支持 2 个 DDC，复杂抽取比 4128 倍可调，实抽取比 4128 倍可调，覆盖宽至 520MHz、窄至 9.375MHz 的瞬时带宽（IBW）；
   • 抽取滤波特性：复杂抽取模式下通带带宽约 80%（-1dB），阻带抑制≥85dB，实抽取模式下通带带宽约 40%，可有效滤除镜像频率与噪声。
2. 48 位数控振荡器（NCO）
   • 支持相位连续与无限相位相干两种模式，相位相干模式下可通过 SYSREF 信号同步多器件频率，实现无相位跳变的快速跳频（<1μs）；
   • 频率分辨率高，支持 ±Fs/2 的频率调节范围，SFDR≥100dBc，每 NCO 可预存 4 个频率，通过 GPIO 或 SPI 快速切换，适配动态频率 hopping 场景。

（三）高速接口与同步能力

1. JESD204B 串行接口
   • 支持 JESD204B 子类 1（确定性延迟），最高通道速率 13Gbps，每 ADC 通道对应 2 路 SERDES 输出，8 路 lanes 可灵活分配，适配不同 FPGA / 处理器的接口能力；
   • 支持多帧时钟（LMFS）配置，如 8-8-2-1、4-8-4-1 等模式，适配不同分辨率与抽取比的输出需求，帧组装支持 16 位 / 20 位输出（20 位模式用于高抽取比场景，避免量化噪声损失）。
2. 系统同步
   • 支持 SYSREF 外部同步输入，可 AC/DC 耦合，通过内部延迟监测电路确保 SYSREF 与采样时钟的相位对齐（±50ps 窗口），避免多器件同步偏差；
   • 内置测试图案生成器（如 PRBS、斜坡、交替图案），支持链路调试与抖动测试，无需外部信号源即可验证 JESD204B 接口完整性。

（四）可靠性与功耗控制

1. 热管理与校准
   • 内置前台校准（Foreground Calibration）：通过额外校准 ADC 核心，补偿温度漂移对线性度的影响，校准时间约 23ms×3GSPS/Fs（每 ADC 对），支持 SPI 或 GPIO 触发，确保宽温范围内性能稳定；
   • 热阻特性：结到环境热阻（RθJA）20.1°C/W，结到板热阻（RθJB）5.2°C/W，底部散热焊盘需与 PCB 铜皮紧密连接，确保高功率下的散热效率。
2. 多功耗模式
   • 功耗范围 1.2W / 通道（3GSPS），支持功率缩放（采样速率降低时功耗同步下降），睡眠模式功耗仅 190mW，适配电池供电的便携式设备；
   • 可关闭未使用的 SERDES lane 或 DDC 模块，进一步优化功耗，如禁用 2 路 lanes 时功耗降低约 15%。

三、器件信息与电气规格

（一）基本参数与封装

参数	规格
通道数量	4 个独立差分输入通道
分辨率	14 位
最高采样速率	3GSPS
输出接口	JESD204B（8 路 SERDES，最高 13Gbps/lane）
输入带宽（-3dB）	2.75GHz
电源电压	AVDD18（1.751.85V）、AVDD12/CLKVDD/DVDD（1.1751.225V）
封装类型	64 引脚 VQFN（RTD，9mm×9mm，0.9mm 最大高度）
工作温度	–40~85°C
ESD 防护	人体放电模型（HBM）±1000V，带电器件模型（CDM）±500V

（二）关键电气特性（TA=25°C，VDD=1.8V/1.2V，Fs=3GSPS）

参数	测试条件	典型值	单位
噪声谱密度（NSD）	fIN=0.9GHz，AIN=-20dBFS，2 倍平均	–157.3	dBFS/Hz
信噪比（SNR）	fIN=0.9GHz，无平均	60.9	dBFS
无杂散动态范围（SFDR）	fIN=1.8GHz，4 倍抽取	86	dBFS
总谐波失真（THD）	fIN=1.8GHz，1 倍平均	69	dBc
输入满量程（FS）	差分，100Ω 端接	1.1/1.35	Vpp（对应 2/3.5dBm）
代码错误率（CER）	–	10⁻¹⁵	–

四、功能模块详解

（一）模拟输入与采样电路

1. 输入接口设计
   • 每通道差分输入（INxP/INxM）内置 100Ω 差分端接，支持 AC 耦合（推荐 100pF 电容），输入共模电压（VCM）典型值 350mV，需通过外部 balun 实现单端 - 差分转换（推荐 Marki BAL-0009SMG、Mini-Circuits TCM2-43X + 等 balun，幅度平衡 < 0.7dB，相位平衡 < 5°）；
   • 支持 2 倍内部平均模式：通过 2 个 ADC 核心并行采样后平均，噪声谱密度改善 2dB，同时输入满量程提升至 1.35Vpp，适配高幅度信号。
2. 过范围检测（OVR）
   • 支持 GPIO 引脚或 JESD204B 数据流两种过范围指示方式：GPIO 方式响应时间约 6 个时钟周期，JESD 方式替换输出数据的 LSB，实时反馈输入信号是否超出满量程；
   • 过范围标志可配置为 “粘性”（需 SPI 清除）或 “自清除”，适配不同系统的故障处理逻辑。

（二）数字下变频器（DDC）与 NCO

1. DDC 功能与抽取比
   • 每通道最多 2 个 DDC，支持单频段 / 双频段模式：单频段模式最高 4 倍复杂抽取，双频段模式最高 128 倍复杂抽取，输出带宽可灵活配置（如 3GSPS 采样 + 128 倍抽取时，输出带宽 18.75MHz）；
   • 抽取滤波采用 FIR 结构，通带纹波小（典型值 < 0.1dB），阻带抑制≥85dB，有效滤除抽样噪声与镜像频率，无需外部滤波电路。
2. NCO 与频率跳变
   • 48 位 NCO 支持相位相干频率跳变，跳变时间 < 1μs（取决于抽取比：4 倍抽取约 350ns，128 倍抽取约 4μs），适配动态频率 agile 场景；
   • 频率编程灵活：支持 SPI 直接写入 48 位频率值，或通过 GPIO 快速选择预存的 4 个频率（每 NCO），相位连续性误差 < 0.01°，确保跳频时信号相位无突变。

（三）JESD204B 接口与同步

1. 接口配置
   • 支持 8 路 SERDES lane，每 lane 最高速率 13Gbps，支持帧组装参数（LMFS）灵活配置，如 8-8-2-1（8 lanes、8 帧 / 多帧、2 字节 / 帧、1 个转换器）、4-8-4-1 等，适配不同 FPGA 的 lane 数量与速率限制；
   • 支持链路层测试图案（如 PRBS7/15/23/31、K28.5 码型）与传输层测试图案（斜坡、交替图案），便于链路误码率测试与信号完整性验证。
2. 系统同步
   • SYSREF 输入支持 DC/AC 耦合，内部 100Ω 端接，通过 SYSREF 窗口监测电路（±50ps 捕获窗口）确保多器件同步，同步误差 < 16ps；
   • 支持确定性延迟（子类 1），延迟可通过寄存器配置（如 8 倍抽取时约 506 个 ADC 时钟周期），适配多通道相位对齐场景（如相控阵雷达的多通道波束成形）。

（四）校准与功耗控制

1. 前台校准
   • 内置温度补偿校准：通过额外校准 ADC 核心，补偿积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）与增益误差，校准后 INL±2LSB（14 位），增益误差 ±3% FSR；
   • 校准触发方式：SPI 命令触发（单次 / 连续）或 GPIO 触发（低电平触发），校准状态可通过寄存器 0x298 读取（0x0E 表示校准成功），确保校准过程可监控。
2. 功耗管理
   • 多功耗模式：正常模式（1.2W / 通道 @3GSPS）、睡眠模式（190mW）、部分模块关断（如禁用未使用的 DDC、SERDES lane）；
   • 电源域分离：模拟电源（AVDD18/AVDD12）、时钟电源（CLKVDD）、数字电源（DVDD）独立供电，避免数字开关噪声耦合至模拟域，CLKVDD 需额外使用低噪声 LDO（如 TPS7A8400），进一步降低时钟噪声。

五、典型应用与设计指南

（一）典型应用场景：宽带射频采样接收机

1. 应用架构
   • 信号路径：射频信号（如 0.5~2.7GHz）→ 带通滤波器（BPF）→ balun（单端转差分）→ ADC34RF55 输入（INxP/INxM）→ 内部 DDC 抽取→ JESD204B 输出→ FPGA（如 Xilinx UltraScale+）；
   • 时钟与同步：采用 LMK04832 时钟发生器，提供 3GSPS 低抖动采样时钟（<50fs）与 SYSREF 同步信号，确保多 ADC 通道同步；
   • 电源方案：5V 输入→ 开关电源（如 LMS3635）→ 低噪声 LDO（AVDD18 用 TPS7A8400，AVDD12/CLKVDD/DVDD 用 TPS7A70），每电源引脚就近并联 0.1μF 陶瓷电容 + 10μF 钽电容，降低电源噪声。
2. 关键配置参数
   • 采样时钟：3GSPS，差分 1.0Vpp，50% 占空比，时钟源相位噪声 <-140dBc/Hz（1kHz 偏移）；
   • DDC 配置：2 倍平均、8 倍复杂抽取，输出带宽 187.5MHz，NCO 频率 900MHz（将输入信号下变频至基带）；
   • JESD204B：LMFS=8-8-2-1，8 路 lane，每 lane 速率 6.25Gbps，确定性延迟约 506 个 ADC 时钟周期。

（二）PCB 设计与布局

1. 关键信号布局
   • 模拟输入与时钟：采用 100Ω 差分走线，长度匹配误差 < 1mm，远离数字信号（如 JESD204B lane），避免串扰；差分对间距 2~3 倍线宽，减少耦合噪声；
   • JESD204B lane：采用 100Ω 紧密耦合差分走线，长度匹配误差 < 5mm，使用阻抗控制板（阻抗偏差 ±10%），每 lane 串联 0.1μF AC 耦合电容（靠近 FPGA 端）。
2. 电源与接地
   • 电源域隔离：模拟地（AGND）、数字地（DGND）、时钟地（CLKGND）单点连接至散热焊盘，避免地弹噪声；电源平面分割，AVDD18/AVDD12/CLKVDD/DVDD 独立平面，平面间间距≥0.5mm；
   • 散热设计：底部散热焊盘（Thermal Pad）需连接≥20mm² 铜皮，打 4 个 0.3mm 过孔至内层地平面，确保 3GSPS 满负荷工作时结温 < 105°C。

（三）初始化与校准流程

1. 上电时序
   1. 先上电 DVDD（1.2V），再上电 AVDD12、CLKVDD（1.2V），最后上电 AVDD18（1.8V），避免电源时序错误导致器件损坏；
   2. 上电后拉低 RESET 引脚（≥10ns），释放后加载默认寄存器配置，等待 5ms 后开始 SPI 配置。
2. 核心配置步骤
   1. 复位与模式配置 ：写入寄存器 0x00 触发软件复位，配置数字页面（0x05=0x02），设置 2 倍平均、8 倍复杂抽取、OVR 指示方式；
   2. JESD204B 配置 ：选择 JESD 页面（0x05=0x04），配置 LMFS 模式（如 0x22=0x08，对应 8-8-2-1）、SERDES lane 使能（0x28=0xFF）、PLL 参数（0x9F=0x11）；
   3. SYSREF 同步 ：配置 SYSREF 输入（0x236=0x03），发送 SYSREF 脉冲（≥50ps 宽度），确保多器件同步；
   4. NCO 配置 ：写入 48 位 NCO 频率（如 0x100~0x105），加载 NCO（0x181=0x30），触发频率跳变；
   5. 校准 ：选择校准页面（0x05=0x20），触发前台校准（0x45=0x8A），等待校准完成（寄存器 0x298=0x0E）。