AFE7954 四通道射频采样 12 GSPS 数模转换器（DAC）技术总结

AFE7954是一款高性能、宽带宽的四通道RF采样DAC。该器件的工作频率高达 12 GHz，可在 L、S、C 和 X 波段频率范围内实现直接射频采样，而无需额外的变频级。这种密度和灵活性的提高使高通道数的多任务系统成为可能。

信号路径支持插值和数字上变频选项，为四个DAC （TX）提供高达1200 MHz的信号带宽，为两个DAC提供高达2400 MHz的信号带宽。DUC 的输出驱动 12GSPS DAC（数模转换器），具有混合模式输出选项，以增强二次奈奎斯特作。DAC输出包括一个可变增益放大器（TX DSA），具有40 dB范围和1 dB模拟步长和0.125 dB数字步长。
*附件：afe7954.pdf

特性

• 四通道射频采样 12GSPS DAC
• 最大射频信号带宽：
  • 4TX：1200 MHz 或
  • 2TX：2400 兆赫
• 射频频率范围：600 MHz - 12 GHz
• 数字步进衰减器 （DSA）：
  • TX：40 dB 范围，0.125 dB 步长
• 单频或双频 DUC
• 每个 TX 16 个士官
• 可选的内部PLL/VCO，用于DAC或DAC采样率的外部时钟
• SerDes 数据接口：
  • JESD204B和JESD204C兼容
  • 8 个 SerDes 接收器，速度高达 29.5 Gbps
  • 子类 1 多设备同步
• 封装：17 mm × 17 mm FCBGA，0.8 mm 间距

参数

方框图

AFE7954 是德州仪器（Texas Instruments）推出的 高性能四通道射频采样数模转换器（DAC） ，专为超宽频、高带宽射频信号处理设计，集成 4 路发射（TX）通道、灵活的数字上变频（DUC）与时钟锁相环（PLL）模块，支持 600MHz-12GHz 射频频率范围，可直接覆盖 L、S、C、X 等关键频段，满足雷达、制导前端、国防通信及无线测试设备对高动态范围、低噪声与高集成度的严苛需求。以下从核心特性、性能参数、功能架构、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

• 通道与分辨率 ：
  • 通道配置：4 路独立发射（TX）通道，支持单通道 / 双通道高带宽模式（4TX 时 1200MHz 带宽、2TX 时 2400MHz 带宽），适配多频段同时发射场景（如国防通信多波形传输）。
  • 分辨率：14 位 DAC（数模转换器），兼顾信号精度与采样速率，在 12GSPS 最高采样率下仍保持低失真特性，满足复杂射频信号生成需求。
• 频率与带宽 ：
  • 射频频率范围：600MHz-12GHz，覆盖 Sub-6GHz（5G）、毫米波低段（6-12GHz）及卫星通信频段，支持 “直接射频采样” 架构，无需额外混频器，简化系统设计。
  • 采样率：DAC 最高 12GSPS（吉采样 / 秒），支持 1st Nyquist（600MHz-6GHz）与 2nd Nyquist（6-12GHz）双模式，通过交织（Interleave）与混合（Mix Mode）技术扩展频率覆盖。
• 供电与功耗 ：
  • 供电电压：多组供电域，涵盖 0.9V（数字核心，如 DVDD0P9）、1.2V（模拟电路，如 VDD1P2RX/TX）、1.8V（射频与 GPIO，如 VDD1P8TXDAC），适配不同模块功耗需求。
  • 功耗：正常工作模式（4TX 单频段）典型功耗 5011mW，休眠模式低至 1132mW，平衡高性能与低功耗（如雷达间歇工作场景节能需求）。
• 封装与可靠性 ：
  • 封装：17mm×17mm 400 引脚 FC-BGA（球栅阵列），带散热焊盘，结到板热阻 4.85°C/W，优化高温环境（如密闭制导设备）散热。
  • 工业级标准：工作温度 - 40°C 至 + 85°C（环境温度）、结温最高 125°C，ESD 防护（人体放电模型 HBM±1000V、带电设备模型 CDM±150V），满足国防与工业领域可靠性要求。

2. 核心增强功能

• 灵活的增益与衰减控制 ：
  • 数字步进衰减器（DSA）：每路 TX 通道集成 40dB 范围 DSA，支持 1dB 模拟步进与 0.125dB 数字步进，校准后衰减精度（DNL）±0.1dB，可实时调整发射功率，适配不同链路损耗（如雷达目标距离变化）。
  • 增益平坦度：600MHz 带宽内增益平坦度 ±1.2dB，20MHz 窄带内 ±0.1dB，确保宽频段内信号幅度一致性，避免频段间功率波动。
• 高动态范围与低失真 ：
  • 线性度：三阶互调失真（IMD3）低至 - 88dBc（850MHz，-13dBFS 双音输入），杂散抑制比（SFDR）最高 79.4dBc（1.8GHz），减少信号失真，保障射频信号纯度（如雷达波形无杂散干扰）。
  • 噪声性能：噪声谱密度（NSD）低至 - 157.6dBFS/Hz（850MHz，0dB 衰减），在宽频率范围内保持低噪声，适配微弱信号放大场景（如国防通信低功率发射）。
• 时钟与同步能力 ：
  • 集成 PLL/VCO：内置 4 组 VCO（压控振荡器），覆盖 7.2-12.08GHz 频率范围，闭环相位噪声低至 - 146dBc/Hz（11.79848GHz，50MHz 偏移），支持内部 PLL 或外部时钟驱动 DAC，确保时钟信号低抖动。
  • 多设备同步：支持 JESD204B/C 接口 Subclass 1 同步，8 路 SerDes 接收器最高 29.5Gbps 速率，可实现多片 AFE7954 时钟与数据同步，适配大规模多通道系统（如相控阵雷达）。
• 数字信号处理 ：
  • 数字上变频（DUC）：每路 TX 通道集成单 / 双频段 DUC，支持 16 个数控振荡器（NCO），可直接将基带信号上变频至射频频段，减少外部变频电路，降低系统复杂度。
  • 插值滤波：支持 8×-96× 灵活插值，将低速率基带信号提升至 12GSPS DAC 采样率，适配不同基带数据源（如 FPGA 输出的 500MSPS 信号）。

3. 典型应用场景

• 雷达与制导系统 ：支持 600MHz-12GHz 宽频段信号生成，14 位 DAC 与低 IMD3 特性可生成复杂雷达波形（如线性调频 LFM），适配车载雷达、防空雷达等。
• 国防通信 ：4 通道独立发射支持多频段同时传输（如 1.8GHz+2.6GHz 双频段通信），1200MHz 带宽可承载高速率数据链，满足战术通信需求。
• 无线测试设备 ：直接射频采样架构可模拟多标准射频信号（如 5G NR 100MHz、LTE 20MHz），误差向量幅度（EVM）低至 0.2%（850MHz），满足信号发生器高精度测试需求。

二、关键性能参数

1. 核心电气性能（典型值，TA ​ =25**∘**C， nominal 供电）

性能类别	参数	规格（典型值）	单位
DAC 核心	分辨率	14 位	bit
	最高采样率	12 GSPS	GSPS
	输出阻抗	50 Ω（默认）	Ω
射频输出	全量程输出功率（850MHz）	4.2 dBm（-0.5dBFS 输入）	dBm
	三阶互调失真（IMD3）	-88 dBc（850MHz，-13dBFS 双音）	dBc
	杂散抑制比（SFDR）	79.4 dBc（1.8GHz）	dBc
	DSA 衰减范围	0-40 dB（0.125dB 数字步进）	dB
噪声性能	噪声谱密度（NSD）	-157.6 dBFS/Hz（850MHz，0dB 衰减）	dBFS/Hz
时钟与 PLL	VCO 频率范围	7.2-12.08 GHz	GHz
	闭环相位噪声	-146 dBc/Hz（11.79848GHz，50MHz 偏移）	dBc/Hz
	SerDes 速率	最高 29.5 Gbps	Gbps
同步与 EVM	JESD204C 同步 subclass	1（多设备同步）	-
	误差向量幅度（EVM）	0.2%（850MHz，20MHz LTE 信号）	%

三、核心功能架构

1. 发射（TX）模块

（1）DAC 与信号调理

• DAC 核心特性 ：
  • 14 位分辨率，支持 “交织模式”（1st Nyquist）与 “混合模式”（2nd Nyquist），12GSPS 采样率下在 12GHz 频段仍保持低失真（如 9.6GHz 时 IMD3=-52dBc），适配毫米波信号生成。
  • 输出驱动：内置可变增益放大器（VGA），配合 40dB DSA 实现发射功率精细控制，满足不同距离目标的信号覆盖需求（如雷达近距离低功率、远距离高功率切换）。
• 数字上变频（DUC） ：
  • 单 / 双频段支持：每路 TX 通道可配置为单频段（如仅 3.5GHz）或双频段（如 1.8GHz+2.6GHz），16 个 NCO 可独立设置频率，实现多波形同时上变频，无需外部混频器。
  • 插值滤波：支持 8×-96× 插值，通过半带滤波器与 FIR 滤波器抑制镜像频率，确保插值后信号杂散低于 - 60dBc，简化后端射频滤波设计。

（2）线性度与杂散控制

• 预失真优化 ：内置数字预失真（DPD）电路，可补偿 DAC 非线性失真，在高输出功率下（如 4.2dBm@850MHz）仍保持低 IMD3（-66dBc@-7dBFS 双音），提升复杂信号（如 5G NR）的线性度。
• 杂散抑制 ：通过优化 DAC 电流源设计与时钟抖动控制，固定杂散（如 fS/4、fS/2）低于 - 48dBFS，确保射频输出信号纯度，避免对邻近频段的干扰（如国防通信中避免杂散泄露）。

2. 时钟与 PLL 模块

（1）PLL/VCO 时钟生成

• 多 VCO 覆盖 ：集成 4 组 VCO（VCO1：7.2-8.8GHz、VCO2：8.8-9.7GHz、VCO3：9.7-11.6GHz、VCO4：11.6-12.08GHz），通过分频系数（1/2/3/4/6）适配不同 DAC 采样率（如 12GSPS 需 12GHz VCO 时钟）。
• 相位噪声优化 ：PLL 环路滤波器支持软件配置，在 11.79848GHz 频率下，100Hz 偏移相位噪声 - 88dBc/Hz、1MHz 偏移 - 136dBc/Hz，减少时钟噪声对 DAC 输出信号的影响（如避免相位噪声导致雷达测距误差）。

（2）时钟同步与分发

• 外部时钟接口 ：支持 491.52MHz 参考时钟输入（REFCLK），可通过 PLL 倍频至 12GHz，也可直接接入外部 12GHz 时钟驱动 DAC，适配不同系统时钟架构。
• JESD204C 同步 ：8 路 SerDes 接收器支持 29.5Gbps 速率，Subclass 1 同步模式可实现多片 AFE7954 的时钟与数据对齐，同步误差低于 50ps，满足相控阵雷达波束成形需求。

3. 数字接口与控制

• SPI 配置接口 ：支持 SPI 接口配置 DAC 增益、DSA 衰减、PLL 频率等参数，寄存器写入时钟周期最低 25ns，适配系统动态参数调整（如实时切换雷达波形频率）。
• 监控与保护 ：每路 TX 通道集成射频过压检测器与峰值功率检测器，可实时监控输出功率，避免过功率损坏外部功率放大器（PA），提升系统可靠性。