ADC12QJ1600-EP 四通道高速射频采样模数转换器技术文档总结

ADC12QJ1600-EP 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。

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。
*附件：adc12qj1600-ep.pdf

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进行时钟处理。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（双通道和四通道设备）或 1 至 4 通道（用于单通道设备），SerDes 波特率高达 17.16Gbps，可为每个应用提供最佳配置。

特性

• 高可靠性增强型产品：
  • 受控基线
  • 一个组装和测试站点
  • 一个制造现场
  • –55°C 至 125°C 温度范围
  • 延长产品生命周期
  • 扩展产品变更通知
  • 产品可追溯性
• ADC内核：
  • 分辨率：12位
  • 最大采样率：1.6 GSPS
  • 非交错架构
  • 内部抖动可减少高阶谐波
• 性能规格 （–1 dBFS）：
  • 信噪比 （100 MHz）：57.4 dBFS
  • ENOB （100 MHz）：9.1 位
  • SFDR （100 MHz）：64 dBc
  • 本底噪声 （–20 dBFS）：–147 dBFS
• 满量程输入电压：800 mVPP-DIFF
• 全功率输入带宽：6 GHz
• JESD204C 串行数据接口：
  • 总共支持 2 到 8 条 SerDes 通道
  • 最特率：17.16 Gbps
  • 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 （7.2–8.2 GHz）
• 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：1.1 V、1.9 V

参数

方框图

一、产品核心定位与基础参数

ADC12QJ1600-EP 以 “高可靠性 + 高速采样 + 多通道集成” 为核心优势，通过非交错架构、内置时钟管理与灵活校准设计，平衡性能与系统适配性，适配极端温域与高可靠性场景。

1. 核心基础参数总览

类别	关键指标	说明
核心规格	分辨率 / 通道数 / 最高采样率	12 位，四通道并行，1.6 GSPS（非交错架构，无交错失真）
可靠性特性	生产管控 / 温域 / 生命周期	单一制造 / 测试站点，-55℃~+125℃宽温，延长产品生命周期 + 变更通知 + 全追溯
封装与供电	封装类型 / 尺寸 / 供电范围	144 引脚 FCBGA（10mm×10mm）；1.1V（VA11/VD11）、1.9V（VA19/VPLL19/VREFO）
功耗	典型功耗（1 GSPS，低功耗模式）	1.9W（四通道运行），支持通道关断与低功耗模式进一步降功耗
核心集成模块	关键功能集成	内部 PLL（7.2-8.2GHz VCO）、JESD204C 接口、6 路 ADC 核心（含备用校准核心）、时间戳模块

二、核心性能参数

1. 模拟采样性能（典型值，TA=-55~+125℃，VDD=1.1V/1.9V）

（1）动态性能（100MHz 输入，-1dBFS）

• 信噪比（SNR） ：57.4 dBFS，有效位数（ENOB）9.1 Bits，保障弱信号采集精度；
• 无杂散动态范围（SFDR） ：64 dBc，二阶谐波（HD2）-64 dBc，三阶谐波（HD3）-67 dBc，减少信号失真；
• 噪声特性 ：噪声谱密度（NSD）-147 dBFS/Hz（-20dBFS 输入），噪声系数（NF）25.8 dB（Z_S=100Ω）；
• 全功率带宽（FPBW） ：6 GHz（-3dB），支持 L 波段（1-2GHz）、S 波段（2-4GHz）直接射频采样，无需前端混频。

（2）静态精度与输入特性

• 静态精度 ：微分非线性（DNL）±0.2 LSB，积分非线性（INL）±1.95 LSB，无失码；
• 输入范围 ：差分满量程电压 800 mVPP（默认），支持 480~1040 mVPP 可编程调节；
• 输入阻抗与保护 ：内置 50Ω 单端输入 termination（可配置），支持 AC/DC 耦合，内部钳位二极管防护过压输入（峰值 RF 输入功率 16.4 dBm）；
• 孔径抖动 ：典型值 50 fs（rms），近距残余相位噪声 - 127 dBc/Hz（10kHz 偏移），保障高频采样时序精度。

2. JESD204C 高速串行接口性能

作为数据传输核心，JESD204C 接口支持高速、低开销数据传输，兼容 JESD204B 接收器，适配 FPGA/ASIC 后端处理：

接口特性	关键指标	说明
传输速率与 lanes	单 lane 最高 17.16 Gbps，支持 2-8 lanes	可根据系统带宽需求灵活配置，减少 PCB 布线（如 8 lanes 时单 lane 速率低至 2 Gbps）
编码模式	8B/10B（兼容 JESD204B）、64B/66B	64B/66B 编码开销更低（~3% vs 20%），支持前向纠错（FEC）与 CRC-12 检错
同步与延迟	Subclass-1 确定性延迟，SYSREF 窗口化	支持多器件同步，SYSREF 窗口化功能放宽外部时序要求，无需严格 setup/hold 时间
测试模式	PRBS（7/9/15/23/31）、Ramp、时钟图案	内置多种测试码型，简化接口调试，无需接入实际模拟信号

3. 时钟管理与时间戳功能

内置完整时钟生成与同步体系，减少外部时钟器件依赖，适配多通道系统时钟同步需求：

（1）内部 PLL/VCO 时钟生成

• PLL 特性 ：支持 50-500 MHz 差分 / 单端参考时钟输入，通过 VCO（7.2-8.2GHz）生成 1.6 GSPS 采样时钟，支持 5/6/8/10/12/16 分频比，满足不同采样率配置；
• 时钟输出 ：4 路时钟输出（PLLREFO±、TRIGOUT±、ORC/ORD），可提供 FPGA / 相邻 ADC 的参考时钟（如 PLLREFO± 输出 PLL 参考时钟，TRIGOUT± 输出 SerDes 时钟或时间戳重发信号）；
• 噪声抑制 ：VA11Q/VCLK11 噪声抑制功能（开启时电流增加～20mA），降低采样抖动与时钟杂散。

（2）时间戳与同步

• 时间戳功能 ：TMSTP± 差分输入标记特定采样点，时间戳数据嵌入 JESD204C 数据流（替换 LSB），支持 TRIGOUT± 重发触发信号，适配脉冲雷达等时序敏感场景；
• SYSREF 同步 ：支持周期性 / 单次 SYSREF 信号，通过 SYSREF 窗口化（24 位位置检测 + 可编程采样位置）实现多器件相位同步，延迟抖动 ±50 ps。

三、关键功能模块详解

1. 多模式校准系统

器件内置 6 路 ADC 核心（4 路主核心 + 2 路备用校准核心），支持前景校准与 背景校准 ，保障全温域下精度稳定性：

（1）校准模式与特性

校准模式	触发方式 / 适用场景	关键优势
前景校准（FG）	硬件（CALTRIG 引脚）/ 软件触发，需暂停采样	校准精度高（INL 改善至 ±2 LSB），适用于上电初始化或温变后一次性校准
背景校准（BG）	自动切换备用核心，采样不中断	支持持续校准，适配实时信号采集（如雷达），核心切换时输出毛刺 < 0.05 dB
低功耗背景校准	备用核心休眠 + 定时唤醒，软件 / 自动触发	平均功耗降低 30%（vs 标准背景校准），适配低功耗场景（如便携式电子战设备）
偏移校准	前景偏移校准（CAL_OS）/ 背景偏移校准（CAL_BGOS）	补偿输入缓冲偏移，支持 “mid-code 参考” 或 “备用核心参考”，适配 AC/DC 耦合输入

（2）trim 调节功能

支持硬件参数微调，适配系统级性能优化：

• 输入端接电阻（RTRIM_A/B/C/D）、增益（GAIN0-5）、偏移（OFS0-5）、带隙基准（BG_TRIM），均支持读取工厂校准值后自定义调整；
• 满量程电压（FS_RANGE）支持 480-1040 mVPP 可编程，匹配不同信号幅度场景（如大信号时调大满量程提升 SNR）。

2. 过范围检测与告警系统

内置实时故障监测与保护机制，保障系统可靠性：

• 过范围检测（OVR） ：监测 ADC 输出 upper 8 位，可编程阈值（OVR_TH，默认 - 0.5 dBFS）与脉冲保持时间（OVR_N，4~1024 个采样周期），通过 ORA/ORB/ORC/ORD 引脚快速输出通道过范围状态；
• 多维度告警 ：涵盖 PLL 失锁（CPLL/SPLL）、JESD204C 链路异常、FIFO 溢出 / 下溢、时钟偏移、SYSREF 重同步等，告警状态可通过 CALSTAT 引脚或寄存器读取，支持掩码屏蔽非关键告警。

3. 灵活工作模式配置

支持通道关断、低功耗模式与测试模式，适配不同系统需求：

• 通道配置 ：通过 CH_EN 寄存器关断 C/D 通道（仅保留 A/B），或单通道模式（仅保留 A），关断后 JESD204C lanes 自动减半，减少无效功耗；
• 功耗模式 ：低功耗模式（仅 1 GSPS 及以下支持）通过寄存器配置（LOW_POWER1-4）降低功耗，代价是高频段（>2GHz）动态性能略有下降；
• 测试模式 ：除 JESD204C 接口测试码型外，支持 ADC 核心测试（如短传输测试模式、K28.5/K28.7 字符输出），简化硬件调试。

四、典型应用场景与设计建议

1. 核心应用场景

ADC12QJ1600-EP 的核心价值在于 “直接射频采样 + 多通道并行 + 高可靠性”，典型应用包括：

• 电子战（SIGINT/ELINT） ：6 GHz 全功率带宽支持 3GHz 以下信号直接采样，四通道并行采集多频段信号，JESD204C 减少布线复杂度；
• 卫星通信（SATCOM） ：-55℃~+125℃宽温与高可靠性设计，适配太空 / 机载极端环境，内部 PLL 简化时钟系统；
• 雷达系统 ：1.6 GSPS 采样率 + 64 dBc SFDR，支持脉冲信号采集，时间戳模块标记目标回波时序，多通道同步保障相位一致性。

典型应用架构示例（雷达接收机）

1. 信号路径 ：3GHz 以下射频信号经 Balun 转换为差分信号，AC 耦合至 ADC12QJ1600-EP 的 INA±~IND± 引脚；
2. 时钟生成 ：50 MHz 低噪声参考时钟输入 CLK±，内部 PLL 生成 1.2 GSPS 采样时钟，PLLREFO± 输出时钟至 FPGA；
3. 数据传输 ：JESD204C 配置为 4 lanes、64B/66B 编码，数据传输至 Xilinx UltraScale+ FPGA 进行信号处理；
4. 同步与校准 ：SYSREF± 信号同步多片 ADC，背景校准模式保障长时间运行精度，过范围检测触发增益动态调整。

2. 关键设计建议

（1）电源与时钟设计

• 电源隔离 ：模拟电源（VA11/VA19）与数字电源（VD11）、PLL 电源（VPLL19）需独立供电，每路电源就近并 0.1μF 陶瓷电容 + 10μF 钽电容，CLKVDD 使用低噪声 LDO（如 TPS7A8400）抑制噪声；
• 时钟优化 ：采样时钟（CLK±）建议 AC 耦合，幅度≥0.4 VPP-DIFF，使用带通滤波器（如 Mini-Circuits TCM2-43X+）滤除杂散，时钟线与模拟输入线间距≥2mm，减少串扰。

（2）PCB 布局与热设计

• 分区布局 ：模拟区（INA±~IND±、CLK±）、数字区（JESD204C lanes、SPI）、电源区严格隔离；模拟地 / 数字地 / PGND/SE_GND 单点连接至公共地平面；
• 热设计 ：BGA 底部热焊盘通过 4 个过孔连接至大面积接地铜皮，结到环境热阻 RθJA=20.9℃/W，满负荷时需确保结温 < 150℃（推荐 PCB 铜皮厚度≥2oz）；
• 射频防护 ：模拟输入引脚预留 50Ω 匹配电阻位置，未使用的 ADC 通道输入引脚需接地，避免噪声耦合。

（3）校准与同步配置

• 上电校准 ：上电后先执行前景校准（CAL_FG=1），再启用背景校准（CAL_BG=1），温度变化 > 10℃时建议重新触发校准；
• SYSREF 同步 ：SYSREF± 采用 AC 耦合（SYSREF_LVPECL_EN=0），布线长度 < 10cm，通过 SYSREF_POS 寄存器检测最佳采样位置，配置 SYSREF_SEL 确保时序余量。