ADC12QJ1600-SP 四通道高速模数转换器技术总结

ADC12QJ1600-SP 是一款四通道、12 位、1.6GSPS 模数转换器 （ADC）。低功耗、高采样率和 12 位分辨率使该器件适用于各种多通道通信系统。
*附件：adc12qj1600-sp.pdf

6GHz 的全功率输入带宽 （-3dB） 支持对 L 波段和 S 波段进行直接射频采样。

包括许多时钟功能以放宽系统硬件要求，例如带有集成压控振荡器 （VCO） 的内部锁相环 （PLL） 以生成采样时钟。提供四个时钟输出，用于对 FPGA 或 ASIC 的逻辑和 SerDes 进行时钟。为脉冲系统提供时间戳输入和输出。

JESD204C串行接口通过减少印刷电路板 （PCB） 布线量来减小系统尺寸。接口模式支持 2 至 8 通道（双通道和四通道器件）或 1 至 4 通道（用于单通道器件），SerDes 波特率高达 17.16Gbps，可为每个应用提供最佳配置。

特性

• 辐射性能：
  • 总电离剂量 （TID）：300 krad （Si）
  • 单事件闩锁 （SEL）：120 MeV-cm2/mg
  • 单事件扰乱 （SEU） 免疫寄存器
• ADC内核：
  • 分辨率：12位
  • 最大采样率：1.6GSPS
  • 非交错架构
  • 内部抖动可减少高阶谐波
• 性能规格 （–1dBFS）：
  • 信噪比 （100 MHz）：57.4dBFS
  • ENOB （100 MHz）：9.1 位
  • SFDR （100 MHz）：64dBc
  • 本底噪声 （–20dBFS）：–147dBFS
• 满量程输入电压：800mVPP-DIFF
• 全功率输入带宽：6GHz
• JESD204C 串行数据接口：
  • 总共支持 2 到 8 条 SerDes 通道
  • 最特率：17.16Gbps
  • 64B/66B 和 8B/10B 编码模式
  • 子类 1 对确定性延迟的支持
  • 与JESD204B接收器兼容
• 可选的内部采样时钟生成
  • 内部PLL和VCO （7.2–8.2GHz）
• SYSREF 窗口简化同步
• 四个时钟输出简化了系统时钟
  • FPGA或相邻ADC的参考时钟
  • SerDes 收发器的参考时钟
• 脉冲系统的时间戳输入和输出
• 功耗（1 GSPS）：1.9W
• 电源：1.1V、1.9V

参数

方框图

ADC12QJ1600-SP 是德州仪器（Texas Instruments）推出的 四通道 12 位高速模数转换器（ADC） ，专为高可靠性、高频率场景设计，具备 1.6GSPS 最高采样率与 JESD204C 高速串行接口，同时拥有优异的抗辐射性能，适用于电子战、卫星通信等对信号采集精度与环境适应性要求严苛的领域。以下从核心特性、性能参数、功能模块、应用设计及订购信息等方面展开总结。

一、核心特性与产品定位

1. 基础参数与架构

• ADC 核心配置 ：
  • 分辨率：12 位，无失码设计，确保信号转换完整性。
  • 采样速率：最高 1.6GSPS，支持高频率信号实时采集；低功耗模式下可降至 500MSPS，适配不同功耗需求场景。
  • 架构：非交错架构，搭配内部抖动功能（Dither），有效降低高次谐波失真，提升信号保真度。
  • 输入带宽：全功率输入带宽达 6GHz，支持 L 波段（1-2GHz）、S 波段（2-4GHz）直接射频采样，无需额外下变频电路。
• 抗辐射性能 ：
  • 总电离剂量（TID）：300 krad (Si)，耐受长期辐射环境影响。
  • 单粒子锁定（SEL）：120 MeV-cm²/mg，避免高能粒子导致的器件功能锁定。
  • 单粒子翻转（SEU）：寄存器具备抗 SEU 能力，保障配置数据稳定性。
• 供电与封装 ：
  • 供电电压：模拟供电 1.1V（VA11）、1.9V（VA19/VPLL19/VREFO），数字供电 1.1V（VD11），适配低电压高稳定性供电需求。
  • 封装：144 引脚 FCBGA（10mm×10mm），底部热焊盘优化散热，工作温度范围 - 55°C 至 125°C，结温最高 150°C，适应恶劣工况。
• 接口与同步 ：
  • 串行接口：JESD204C 协议，支持 2-8 路 SerDes 通道，单通道最高速率 17.16Gbps，兼容 8B/10B 与 64B/66B 编码，其中 8B/10B 模式可兼容 JESD204B 接收器。
  • 时钟同步：内置 PLL 与 VCO（7.2-8.2GHz），支持内部采样时钟生成；SYSREF Windowing 功能简化多器件同步，降低外部时序设计难度；4 路时钟输出（PLLREFO±、TRIGOUT± 等），可直接为 FPGA 或相邻 ADC 提供参考时钟。

2. 典型应用场景

• 电子战（SIGINT/ELINT） ：1.6GSPS 高采样率与 6GHz 带宽可快速捕获敌方雷达、通信信号，抗辐射性能保障复杂电磁与辐射环境下的稳定工作。
• 卫星通信（SATCOM） ：支持 L/S 波段直接采样，JESD204C 接口减少 PCB 布线，适配卫星设备小型化、低功耗需求。
• 多通道测试测量 ：四通道并行采集，搭配低失真特性，适用于多通道示波器、信号分析仪等设备，实现多信号同步分析。

二、关键性能指标

1. 核心电气性能（典型值，TJ ​ =50**∘C，VA19**=**1.9**V，**V**A**11**=**1.1**V，**f**C**L**K**​**=**1.6**G**Hz**，**f**I**N**​**=**97**M**Hz）

性能参数	测试条件	典型值	单位
动态性能
信噪比（SNR）	-1dBFS 输入，100MHz 信号	57.4 dBFS
有效位数（ENOB）	-1dBFS 输入，100MHz 信号	9.1 Bits
无杂散动态范围（SFDR）	-1dBFS 输入，100MHz 信号	64 dBc
噪声基底（-20dBFS）	全频段范围内	-147 dBFS/Hz
直流精度
微分非线性（DNL）	理想步长偏差	±0.2 LSB
积分非线性（INL）	理想传输曲线偏差	±1.95 LSB
输入失调电压（V_OFF）	校准使能（CAL_OS=1）	±0.6 mV
满量程电压（V_FS）	默认配置（FS_RANGE=0xA000）	800 mVPP-DIFF
输入特性
输入阻抗（R_IN）	差分输入，25°C 环境	100 Ω
输入电容（C_IN）	单端输入	0.6 pF

三、核心功能模块

1. 模拟前端与 ADC 采样机制

（1）模拟输入与保护

• 输入配置 ：
  • 差分输入设计：INA±/INB±/INC±/IND± 四组差分输入，每路内置 50Ω termination 电阻，支持 AC/DC 耦合，输入共模电压（V_CMI）需匹配 1.1V（VA11），确保信号完整性。
  • 过压保护：内部钳位二极管抑制输入过驱，峰值 RF 输入功率达 16.4dBm（50Ω 单端），避免高功率信号损坏器件。
• 满量程与偏移调整 ：
  • 满量程调整：通过 FS_RANGE 寄存器（0x30）配置，范围 480-1040mVPP-DIFF，默认 800mVPP-DIFF，可根据信号幅度优化动态范围。
  • 偏移校准：支持前景（Foreground）与背景（Background）偏移校准，通过 OFSxy 系列寄存器（如 OFS0/OFS1）调整各 ADC 核心偏移，范围 ±33mV，保障多通道一致性。

（2）校准机制

• 前景校准（Foreground Calibration） ：
  • 触发方式：通过 CALTRIG 引脚或 CAL_SOFT_TRIG 寄存器（0x6C）触发，校准期间 ADC 暂停采样，输出中值代码（0x000），校准完成后恢复正常工作。
  • 校准内容：覆盖偏移、增益与非线性误差，校准后 INL≤±1.95LSB，DNL≤±0.2LSB，适用于温度、电压变化较大的场景。
• 背景校准（Background Calibration） ：
  • 核心冗余：内置 6 个 ADC 核心（0-5），工作时轮换校准备用核心（如 ADC2/3），不中断信号采样，适用于实时采集场景。
  • 低功耗背景校准（LPBG）：通过 LP_EN 寄存器（0x6E）使能，备用核心休眠时降低功耗，唤醒后自动校准，平衡精度与功耗。

2. 时钟与同步系统

（1）时钟生成与分配

• 内部 PLL（C-PLL） ：
  • 功能：通过低频率参考时钟（50-500MHz，来自 CLK± 或 SE_CLK）生成高频率采样时钟，VCO 频率范围 7.2-8.2GHz，支持分频系数（P/V/N）配置，满足不同采样率需求（如 1GSPS 需配置 P=1、V=5、N=20）。
  • 输出：PLLREFO± 输出参考时钟，可驱动 FPGA 或相邻 ADC；ORC/ORD 引脚可配置为 PLL 参考时钟分频输出（1/2/4 分频），简化系统时钟树设计。
• SerDes PLL（S-PLL） ：
  • 作用：为 JESD204C 接口生成串行时钟，支持 TRIGOUT± 输出（800MHz 最高频率），作为 FPGA SerDes 接收器的参考时钟，保障高速数据传输同步。

（2）SYSREF 同步

• SYSREF Windowing ：通过 SYSREF_POS 寄存器（0x2C）检测 SYSREF 相对于采样时钟的位置，自动调整采样时序，无需严格外部时序约束，简化多器件同步设计。
• 确定性延迟 ：支持 JESD204C 子类 1（Subclass-1），SYSREF 复位本地多帧时钟（LMFC/LEMC），确保多通道、多器件间延迟一致，满足高精度同步采集需求。

3. JESD204C 接口与数据传输

（1）接口配置

• 基本参数 ：
  • 通道数量：2-8 路 SerDes lane，单 lane 最高速率 17.16Gbps，支持灵活配置以平衡带宽与布线复杂度。
  • 编码方式：8B/10B（兼容 JESD204B）与 64B/66B（高编码效率，降低链路开销），64B/66B 模式需启用加扰（Scrambler），保障时钟恢复稳定性。
  • 功能支持：支持前向纠错（FEC）与循环冗余校验（CRC-12），FEC 可纠正 9 位突发错误，CRC-12 检测传输错误，提升链路可靠性。
• JMODE 配置 ：通过 JMODE 寄存器（0x201）预设 16 种工作模式，定义分辨率、lane 数量、编码方式等参数，例如：
  • JMODE=0：12 位，8 路 lane，8B/10B 编码，适配高带宽场景。
  • JMODE=8：12 位，4 路 lane，64B/66B 编码，适配低功耗场景。

（2）数据帧结构

• 8B/10B 模式 ：帧（Frame）含 F 个字节，多帧（Multiframe）含 K 个帧（K 可通过 KM1 寄存器配置为 4-256），初始车道对齐序列（ILAS）用于建立帧边界，保障数据解析正确性。
• 64B/66B 模式 ：块（Block）含 64 位数据 + 2 位同步头（SH），多块（Multiblock）含 32 个块，扩展多块（Extended Multiblock）含 E 个多块（E=1 默认），同步头用于块边界检测与错误校验。

4. 数字控制与监测

（1）串行编程接口（SPI）

• 接口配置 ：4 线 SPI（SCS/SCLK/SDI/SDO），支持 24/32 位数据宽度，输入输出 CRC 校验，检测通信错误；支持流式读写（Streaming Mode），自动递增地址，提升多寄存器配置效率。
• 核心寄存器 ：涵盖配置（如 JMODE/FS_RANGE）、状态（如 JESD_STATUS/ALM_STATUS）、校准（如 CAL_EN/CAL_SOFT_TRIG）三类，关键寄存器支持抗 SEU，保障配置稳定性。

（2）故障监测与告警

• 状态监测 ：
  • 时钟监测：C-PLL/S-PLL 锁定状态（CPLL_LOCKED/SPLL_LOCKED）、时钟丢失检测，确保采样与传输时钟正常。
  • 链路监测：JESD204C 链路状态（LINK_UP）、FIFO 溢出 / 下溢（FIFO_LANE_ALM），实时反馈数据传输健康度。
• 告警输出 ：ALARM 引脚（可通过 CALSTAT 配置）输出未屏蔽告警，支持时钟异常（CLK_ALM）、链路异常（LINK_ALM）等告警类型，便于系统快速故障响应。

四、应用设计要点

1. 电源与布局设计

• 供电配置 ：
  • 模拟供电：VA11/VA19/VPLL19/VREFO 需外接 1μF+0.1μF 去耦电容（X7R 材质，靠近引脚），VPLL19 独立供电，避免与数字电源耦合引入噪声。
  • 数字供电：VD11 外接 1μF+0.1μF 去耦电容，模拟地（AGND）与数字地（DGND）单点连接，热焊盘（Thermal Pad）接 AGND，优化散热与接地完整性。
• 布局原则 ：
  • 模拟信号：输入（INA± 等）与时钟（CLK±）采用差分布线，长度匹配误差 < 0.5mm，阻抗控制 50Ω，远离数字迹线；输入路径串联 RC 抗混叠滤波器（推荐 50Ω+4.7nF，截止频率 < FS/2）。
  • JESD 链路：SerDes 输出（D0±-D7±）差分布线，阻抗 50Ω，长度匹配误差 < 1mm，避免过孔与直角走线，降低信号反射与串扰。
  • 隔离要求：高压 RF 电路（如输入前端）与低压数字电路间距≥8mm，满足爬电距离；SE_GND/PGND 与 AGND/DGND 共接至同一接地平面，避免地环流。

2. 模拟输入设计

• 前端匹配 ：
  • 单端转差分：采用 1:2 巴伦（如 Marki BAL-0009SMG）将单端 RF 信号转为差分，幅度不平衡 < 0.5dB、相位不平衡 < 2°，输出端 AC 耦合 100pF 电容。
  • 共模电压匹配：DC 耦合时，前端放大器输出共模电压需匹配 1.1V（VA11），避免输入共模偏差导致的失真；AC 耦合时，通过 VA11 分压提供共模电压。
• 噪声抑制 ：
  • 电源噪声：VA11/VA19 采用 “开关电源 + LDO” 两级供电，LDO 输出串联铁氧体磁珠（如 Wurth 7427744100），抑制开关噪声。
  • EMI 防护：PCB 采用 “信号 - 地 - 电源” 叠层，模拟区域铺完整地平面；输入与时钟路径加屏蔽罩，减少外部电磁干扰。

3. 初始化与校准流程

• 上电序列 ：
  1. 先加模拟供电（VA11/VA19/VPLL19/VREFO），再加数字供电（VD11），避免供电顺序错误损坏器件。
  2. 拉低 RESET 引脚（≥2048 个 CLK 周期），复位寄存器至默认值，读取 INIT_STATUS（0x270）确认初始化完成（INIT_DONE=1）。
  3. 配置 PLL（如 CPLL_FBDIV1/2）、JESD204C 参数（JMODE/KM1）、校准模式（CAL_EN/CAL_BG）。
• 校准启动 ：
  1. 前景校准：设置 CAL_FG=1（CAL_CFG0=0x01），触发 CAL_SOFT_TRIG=1，等待 CAL_STATUS 寄存器 FG_DONE=1，校准完成。
  2. 背景校准：设置 CAL_BG=1、CAL_BGOS=1（CAL_CFG0=0x0B），启用 LPBG 模式（LP_EN=1），配置休眠延迟（LP_SLEEP_DLY），实现无间断校准。