AFE7951 高精度多通道射频采样模拟前端（AFE）技术文档总结

AFE7951是一款高性能、宽带宽的多通道收发器，集成了四个射频采样发射器链和四个射频采样接收器链。该器件的工作频率高达 12GHz，可在 L、S、C 和 X 波段频率范围内进行直接射频采样，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。
*附件：afe7951.pdf

TX 信号路径支持插值和数字上变频选项，每个 TX 通道可提供高达 400 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40dB范围和1dB模拟步长和0.125dB数字步长。

每个接收器链包括一个 25dB 范围的 DSA（数字步进衰减器），然后是一个 3GSPS ADC（模数转换器）。每个接收器通道都有一个模拟峰值功率检测器和各种数字功率检测器，以辅助外部或内部自主自动增益控制器，以及用于器件可靠性保护的射频过载检测器。灵活的抽取选项可优化每个 RX 通道高达 400MHz 的信号带宽。

特性

• 四通道射频采样12GSPS发射DAC
• 四通道射频采样3GSPS接收ADC
• 最大射频信号带宽：400MHz
• 射频频率范围：600MHz - 12GHz
• 数字步进衰减器 （DSA）：
  • TX：40dB范围，0.125dB步长
  • 接收：25dB 范围，0.5dB 步长
• 单频或双频 DUC 或 DDC
• 每个 TX 或 RX 16 个 NCO
• 可选内部PLL或VCO，用于DAC或ADC时钟，或DAC或ADC采样率的外部时钟
• SerDes 数据接口：
  • JESD204B和JESD204C兼容
  • 8 个高达 29.5Gbps 的 SerDes 收发器
  • 子类 1 多设备同步
• 封装：17mm × 17mm FCBGA，0.8mm 间距

参数

方框图

一、产品概述

AFE7951 是一款高度集成的多通道射频采样 AFE，采用 17mm×17mm 400 引脚 FCBGA 封装（0.8mm 引脚间距），可覆盖600MHz~12GHz 射频频率范围，支持 L、S、C、X 频段直接采样。器件集成 4 路发射链与 4 路接收链，每路发射链含 12GSPS DAC，每路接收链含 3GSPS ADC，最大射频信号带宽达 400MHz，能满足高通道数、多任务系统对密度与灵活性的需求，典型应用包括雷达、导引头前端、国防无线电、战术通信基础设施及无线通信测试设备。

二、核心特性

1. 高性能射频收发能力

（1）发射端（TX）核心参数

• DAC 性能 ：4 路 12GSPS 射频采样 DAC，支持 1st/2nd 奈奎斯特区工作，混合模式输出优化 2nd 奈奎斯特性能；集成 40dB 量程数字步进衰减器（DSA） ，支持 0.125dB 精细步进，满足不同功率调节需求。
• 信号处理 ：每路 TX 含数字上变频器（DUC），支持单频段 / 双频段配置，16 个数控振荡器（NCO），可实现插值与频率搬移，单通道最大信号带宽 400MHz；支持 Sin (x)/x 补偿，降低信号失真。
• 动态性能 （典型值，TA=25°C）：
  • 三阶交调失真（IMD3）：850MHz 时 - 66dBc（-7dBFS 双音输入），9.6GHz 时 - 52dBc；
  • 无杂散动态范围（SFDR）：850MHz 时 86.5dBc，4.9GHz 时 76dBc；
  • 噪声谱密度（NSD）：20MHz 偏移时 - 157.6dBFS/Hz（850MHz，-13dBFS 输出）。

（2）接收端（RX）核心参数

• ADC 性能 ：4 路 3GSPS 射频采样 ADC，14 位分辨率，集成 25dB 量程 DSA ，支持 0.5dB 步进，适配不同强度输入信号；每路 RX 含模拟峰值功率检测器、数字功率检测器，辅助自动增益控制（AGC），并具备 RF 过载检测功能，保护器件可靠性。
• 信号处理 ：每路 RX 含数字下变频器（DDC），支持抽取优化，单通道最大信号带宽 400MHz，16 个 NCO 实现频率搬移与信号筛选。
• 动态性能 （典型值，TA=25°C）：
  • 噪声谱密度（NSD）：830MHz 时 - 155.2dBFS/Hz（DSA=3dB），9.6GHz 时 - 144dBFS/Hz；
  • 噪声系数（NF）：830MHz 时 19.1dB（DSA=0~3dB），9.6GHz 时 30dB；
  • 三阶交调失真（IMD3）：830MHz 时 - 82.4dBc（-7dBFS 双音输入），8.1GHz 时 - 55dBc。

2. 灵活的时钟与同步能力

• 时钟方案 ：支持内部 PLL/VCO 或外部时钟驱动 DAC/ADC，内部 PLL 支持 4 路 VCO（频率范围 7.212.08GHz），时钟分频器（DAC 分频比 1/2/3，ADC 分频比 1/2/3/4/6/8）适配不同采样率需求；参考时钟输入频率 0.112GHz，支持差分时钟输入（REFCLK±、SYSREF±）。
• 多器件同步 ：支持 JESD204B/C 子类 1（Subclass 1）多器件同步，通过 SYSREF 信号实现多 AFE7951 时钟与数据同步，满足多通道系统相位一致性要求。

3. 高速数据接口与可靠性

• SerDes 接口 ：8 路 SerDes 收发器，速率最高 29.5Gbps，支持全速率（1929.5Gbps）、半速率（9.516.25Gbps）、1/4 速率（4.75~8.125Gbps）模式，兼容 JESD204B/C 协议，内部集成 100Ω 差分终端，插入损耗容忍度 25dB。
• 环境可靠性 ：结温范围 - 40°C110°C（推荐工作）、-65°C150°C（存储）；热特性优异，结到环境热阻（RθJA）16.2°C/W，结到板热阻（RθJB）4.85°C/W，需配合 PCB 散热设计（如散热过孔）避免过热。

三、功能架构与工作原理

1. 核心架构

AFE7951 采用 “数字信号处理 - 射频转换 - 模拟信号调理” 三段式架构，分为发射链、接收链、时钟与控制三大模块：

• 发射链（TX） ：数字信号经 JESD204B/C 接口输入→DUC 实现插值与上变频→12GSPS DAC 转换为模拟信号→DSA 调节功率→射频输出（TXOUT±），支持混合模式输出优化高频率段性能。
• 接收链（RX） ：射频输入（RXIN±）→DSA 衰减→缓冲采样保持（Buffer SHA）→3GSPS ADC 转换为数字信号→DDC 实现抽取与下变频→JESD204B/C 接口输出，集成功率检测与过载保护。
• 时钟与控制 ：内部 PLL/VCO 生成 DAC/ADC 时钟，或外部时钟直接输入；通过 SPI 接口配置寄存器，GPIO 支持同步控制、AGC 旁路等功能，NVM 存储关键配置实现上电自动加载。

2. 关键工作模式

• 单频段 / 双频段模式 ：TX/RX 均支持单频段或双频段 DUC/DDC 配置，双频段模式可同时处理两个不同频段信号，提升系统多任务能力。
• 奈奎斯特区选择 ：DAC 支持 1st 奈奎斯特区（低频率段）交织模式、2nd 奈奎斯特区（高频率段）非交织混合模式，ADC 同理，适配不同射频频段需求。
• 低功耗模式 ：支持睡眠模式（SLEEP 引脚拉高），降低待机功耗，适用于间歇工作场景。

四、电气特性

1. 电源与电流特性

器件需多组电源供电，典型工作电压包括 1.8V（模拟 / 数字）、1.2V（PLL/ADC/DAC 时钟）、0.9V（数字核心），不同工作模式下功耗差异较大：

• 模式 1（4T4R-TDD，TX 占空比 75%，RX 占空比 25%） ：总功耗约 5446mW，其中 0.9V 电源电流 2001mA，1.2V 电源电流 1151mA，1.8V 电源电流（含多组）约 1229mA；
• 模式 2（4T4R-FDD，双频段） ：总功耗约 9041mW，0.9V 电源电流 3311mA，1.2V 电源电流 2109mA。

2. 射频输入输出特性

• 阻抗匹配 ：TX/RX 射频接口均为差分 50Ω，未使用的 TX 输出需接 1.8V，未使用的 RX 输入可悬空；
• 回波损耗 ：TX 输出回波损耗（S22）<6GHz 时 - 17dB，>8GHz 时 - 10dB；RX 输入回波损耗（S11）-12dB（匹配网络下）；
• 隔离度 ：相邻 TX 通道隔离度 900MHz 时 - 49dB，4.9GHz 时 - 60dB；TX 与 RX 通道隔离度 830MHz 时 - 76.6dB，确保通道间干扰最小。

五、引脚配置与封装

1. 封装规格

• 物理参数 ：17mm×17mm FCBGA 封装，400 引脚，引脚间距 0.8mm，最大高度 0.8mm；底部裸露热焊盘需焊接至 AGND，配合 4~6 个 0.3mm 孔径散热过孔，优化散热与机械稳定性；
• 可靠性 ：符合无铅焊接要求，MSL 等级 3（260°C 峰值回流焊，开封后 168 小时存储），引脚镀层为镍钯金（NIPDAU）。

2. 关键引脚分类

器件引脚按功能分为射频接口、时钟接口、SerDes 接口、电源与控制接口，核心引脚功能如下：

引脚类型	关键引脚示例	功能描述
射频输入（RX）	1RXIN±、2RXIN±~4RXIN±	4 路差分 RX 射频输入，未使用可悬空；需配合 50Ω 匹配网络
射频输出（TX）	1TXOUT±、2TXOUT±~4TXOUT±	4 路差分 TX 射频输出，未使用需接 1.8V；输出阻抗 50Ω
时钟接口	REFCLK±、SYSREF±	差分参考时钟输入（0.1~12GHz）、系统同步信号输入，支持 AC 耦合
SerDes 接口	1SRX±~8SRX±（输入）、1STX±~8STX±（输出）	8 路 CML SerDes 接口，速率最高 29.5Gbps，内部集成 100Ω 终端，未使用可悬空
电源引脚	VDD1P8TX、VDD1P2RX、DVDD0P9	1.8V TX 模拟电源、1.2V RX 数字电源、0.9V 数字核心电源，需就近并 0.1μF+1μF 去耦电容
控制引脚	RESET、GBL_0_GPIO13、SPI 引脚	芯片复位（低有效）、通用 GPIO、SPI 配置接口（时钟 / 数据 / 使能）

六、典型应用与设计建议

1. 典型应用场景

• 雷达系统 ：4T4R 通道支持相控阵雷达波束成形，12GSPS DAC 与 3GSPS ADC 实现宽频段目标探测，DSA 精细调节发射功率，NCO 实现多目标频率跟踪；
• 国防通信 ：600MHz~12GHz 宽频段覆盖战术电台需求，JESD204C 高速接口确保大数据量传输，多器件同步支持多节点组网；
• 无线通信测试 ：400MHz 带宽与高动态性能，可模拟多频段射频信号，用于基站、终端设备的性能测试。

2. 设计建议

（1）电源与时钟设计

• 电源布局 ：多组电源需独立布线，模拟电源（如 VDD1P8TX）与数字电源（如 DVDD0P9）单点接地，避免串扰；每组电源就近并 0.1μF 陶瓷电容 + 1μF 钽电容（低 ESR），确保供电稳定。
• 时钟优化 ：REFCLK± 与 SYSREF± 采用差分布线，长度匹配（误差 < 5mm），远离数字信号线；外部时钟源需低相位噪声（如 TI LMX2594），避免影响 DAC/ADC 动态性能。

（2）射频接口设计

• 阻抗匹配 ：TX/RX 射频路径采用 50Ω 微带线，参考平面连续，避免过孔与拐角突变；使用差分匹配网络（如 λ/4 阻抗变换器），确保回波损耗 <-10dB。
• 隔离设计 ：TX 与 RX 区域严格分区，爬电距离≥8.5mm（高电压场景），减少串扰；未使用的射频引脚按规格处理（TX 接 1.8V，RX 悬空）。

（3）PCB 布局与散热

• 分区布局 ：将射频区、数字区、电源区分开，射频信号路径最短（<20mm），远离时钟与 SerDes 接口；AGND 与 DGND 单点连接，减少地弹噪声。
• 散热设计 ：FCBGA 裸露热焊盘与 AGND 平面大面积连接，添加 4~6 个 0.3mm 散热过孔，配合 PCB 散热铜皮，确保结温不超过 110°C（推荐）/150°C（上限）。