AD9218 10位双路模数转换器：高性能与低功耗的完美结合

在电子设计领域，模数转换器（ADC）是连接模拟世界和数字世界的关键桥梁。今天，我们就来深入探讨一款高性能的双路模数转换器——AD9218。

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一、AD9218 简介

AD9218 是一款双 10 位单片采样模数转换器，片内集成了跟踪保持电路。它具有低成本、低功耗、体积小且易于使用的特点，在整个工作范围内以 105 MSPS 的转换速率运行，同时具备出色的动态性能，每个通道可独立工作。

二、产品特性亮点

2.1 低功耗设计

AD9218 每个通道在 105 MSPS 时仅消耗 275 mW 功率，其他速度等级在保持高交流性能的同时，功耗也按比例降低。这种低功耗特性使得它在电池供电的设备中具有显著优势，比如电池供电的仪器和手持示波器等。

2.2 引脚兼容升级

该器件与 8 位 AD9288 双 ADC 引脚兼容，这为工程师从 8 位设备向 10 位设备的迁移提供了极大的便利，降低了设计成本和风险。

2.3 易于使用

片内集成了参考电路和用户控制功能，为系统设计提供了灵活性。工程师可以根据具体需求进行配置，满足不同应用场景的要求。

2.4 高性能表现

在奈奎斯特输入下，105 MSPS 时仍能保持 54 dB 的 SNR（信噪比），并且通道串扰极低，仅为 -75 dBc，确保了信号转换的准确性和稳定性。

2.5 先进工艺与封装

采用先进的 CMOS 工艺制造，采用 48 引脚低外形四方扁平封装（7 mm × 7 mm LQFP），适用于工业温度范围（-40°C 至 +85°C），具有良好的可靠性和稳定性。

三、技术参数详解

3.1 直流参数

• 分辨率：10 位，能够提供较高的转换精度。
• 精度：包括偏移误差、增益误差、差分非线性（DNL）和积分非线性（INL）等指标，在不同温度和输入范围内都有严格的保证。例如，在 25°C 时，偏移误差在 -18 至 18 LSB 之间，增益误差在 -2% 至 8% FS 之间。
• 参考电压：内部参考电压（REFOUT）在 25°C 时为 1.18 至 1.28 V，输入电阻为 9 至 13 kΩ。
• 模拟输入：每个通道的差分输入电压范围为 1 V 或 2 V p-p，输入电阻为 8 至 14 kΩ，输入电容为 3 pF。
• 电源：采用 3.0 V（2.7 V 至 3.6 V）单电源供电，电源电流和功耗在不同速度等级下有相应的规定。

3.2 数字参数

• 数字输入：编码输入的共模电压为 VD/2，编码 1 电压为 2 V，编码 0 电压为 0.8 V，输入电阻为 1.8 至 2.3 kΩ。
• 数字输出：逻辑 1 电压为 2.45 V，逻辑 0 电压为 0.05 V，输出编码支持二进制补码或偏移二进制格式。

3.3 交流参数

• 动态性能：包括信噪比（SNR）、信噪失真比（SINAD）、有效位数（ENOB）、谐波失真等指标。例如，在 fIN = 10.3 MHz 时，SNR 可达 58/55 dB 至 59/57 dB。
• 模拟带宽：全功率模拟带宽为 300 MHz，能够处理较高频率的信号。
• 串扰：通道间串扰为 -75 dBc，保证了通道间的独立性和信号质量。

3.4 开关参数

• 编码输入参数：最大编码速率为 40/65/80/105 MSPS，最小编码速率为 20 MSPS，编码脉冲宽度高和低分别为 7/6 ns 至 5/3.8 ns 不等。
• 数字输出参数：输出有效时间为 2.5 ns，输出传播延迟为 4.5 至 7 ns，输出上升时间和下降时间分别为 1 ns 和 1.2 ns。

四、工作原理与使用要点

4.1 工作原理

AD9218 采用逐位流水线型转换器架构，利用开关电容技术。前级确定 7 个最高有效位（MSB），并驱动一个 3 位闪存。每个阶段提供足够的重叠和误差校正，优化了比较器的精度。输入缓冲器为差分结构，两组输入均内部偏置，支持交流耦合或直流耦合、差分或单端输入模式。输出级对数据进行对齐、误差校正，并将数据馈送到输出缓冲器，输出缓冲器由独立电源供电，可调整输出电压摆幅。

4.2 编码输入

高速 ADC 对用户提供的采样时钟质量极为敏感。AD9218 的编码输入完全兼容 TTL/CMOS 电平，设计时需精心考虑时钟源，以避免时钟噪声、失真或时序抖动对信号转换产生影响。

4.3 数字输出

数字输出兼容 TTL/CMOS 电平，可降低功耗。在掉电模式下，输出缓冲器进入高阻状态。数据格式选择选项支持二进制补码（置高）或偏移二进制（置低）输出格式。

4.4 模拟输入

模拟输入为差分缓冲结构，为获得最佳动态性能，AIN 和 (overline{A_{IN}}) 的阻抗应匹配。设计时采取了特殊措施，防止输入过驱动时造成损坏和数据丢失。标称输入范围为 1.024 V p-p，差分驱动可最小化共模噪声并降低偶次谐波，提高性能。

4.5 电压参考

AD9218 内置稳定准确的 1.25 V 电压参考（VREF OUT）。通常，通过将引脚 5（REFINA）和引脚 7（REFINB）连接到引脚 6（REFOUT）来使用内部参考。每个通道的输入范围可通过调整施加到 AD9218 的参考电压输入进行独立调整，参考电压调整 ±5% 时，性能无明显下降，ADC 的满量程范围随参考电压线性变化。

4.6 时序

AD9218 提供锁存数据输出，有 5 个流水线延迟。数据输出在编码命令上升沿后一个传播延迟（tpd）可用。为减少 AD9218 内的瞬态干扰，应尽量缩短输出数据线长度并减小负载，因为这些瞬态干扰会影响转换器的动态性能。最小保证转换速率为 20 MSPS，时钟速率低于 20 MSPS 时，动态性能会下降。

4.7 用户选择选项

通过两个引脚可实现多种操作模式组合，用户可对两个通道（不包括参考）或仅 B 通道进行掉电操作，这两种模式都会使输出缓冲器进入高阻状态。掉电状态恢复需在通电后 10 个时钟周期完成。此外，还可将 B 通道输出数据偏移半个时钟周期，实现数据对齐功能。

五、应用领域

5.1 电池供电仪器

低功耗特性使 AD9218 非常适合电池供电的仪器，如手持示波器和电池供电的测试设备等，能够延长设备的续航时间。

5.2 低成本数字示波器

其高性能和低功耗的特点，为低成本数字示波器的设计提供了有力支持，可在保证性能的同时降低成本。

5.3 I 和 Q 通信

在通信领域，AD9218 可用于 I 和 Q 解调，直接中频采样技术的应用能够消除或简化模拟混频器和滤波器级，降低系统成本和功耗。

5.4 超声设备

超声设备对信号转换的精度和速度有较高要求，AD9218 的高性能和低功耗特性使其成为超声设备中模数转换的理想选择。

六、评估板使用说明

6.1 基本信息

AD9218/AD9288 客户评估板为测试 AD9218 或 AD9288 提供了便捷的方式。由于两者引脚兼容，一块 PCB 可用于测试这两种器件。评估板需要电源、时钟源和滤波后的模拟源进行 ADC 测试。

6.2 电源连接

通过可拆卸的 12 引脚电源条为评估板供电，运行评估板所需的最低 3 V 电源为 (V{D})、(V{DL}) 和 (V_{DD})。若使用可选放大器路径，则需要 ±5 V 电源。

6.3 模拟输入

每个通道有独立的模拟路径，使用宽带变压器从输入 SMA 的单端正弦源差分驱动 ADC。可通过简单的板级修改绕过变压器路径，使用两个 AD8138 运算放大器实现直流耦合路径。模拟输入应进行带通滤波，以去除输入信号中的谐波并最小化混叠。

6.4 电压参考

AD9218 内置 1.25 V 电压参考，也可通过在电源连接器处连接两个外部电压参考并设置 E18 和 E19 跳线来使用外部参考。评估板出厂时配置为内部参考模式。

6.5 时钟

每个通道可通过 SMA 输入 ENCODE A 和 ENCODE B 的公共时钟输入进行时钟驱动，也可通过简单的板级修改独立时钟驱动。为获得最佳性能，时钟输入应为低抖动正弦源。

6.6 数据输出

数据输出通过两个 10 位锁存器在板上锁存，并驱动一个 8 引脚连接器，该连接器与 Analog Devices 提供的双通道 FIFO 板兼容。结合 ADC 分析软件，可大大简化 ADC 测试。

6.7 数据格式/增益

可通过位于 S1、S2 跳线处的 DFS 跳线对 DFS/GAIN 引脚进行偏置，以实现所需的操作。

6.8 时序控制

若需要，可在 PCB 上控制每个通道的时序。必要时，可对锁存器处的时钟信号或输出 80 引脚连接器的数据就绪信号进行反相。跳线还可用于对引脚 S1 和引脚 S2 进行偏置，以实现掉电和时序对齐控制。

6.9 故障排除

若评估板工作不正常，可按以下步骤排查：

• 验证 IC 引脚的电源。
• 检查所有跳线是否处于所需操作模式的正确位置。
• 验证 (VREF) 是否为 1.23 V。
• 尝试以低速（20 MSPS/1 MHz）运行编码时钟和模拟输入，并监控 LCX821 输出、DAC 输出和 ADC 输出是否有切换。

七、总结

AD9218 以其低功耗、高性能、易于使用等特点，在多个领域展现出了强大的竞争力。无论是电池供电的设备，还是通信和超声等对性能要求较高的应用，AD9218 都能提供可靠的解决方案。电子工程师在设计过程中，可以充分利用其特性和优势，打造出更加优秀的产品。你在使用 AD9218 或其他类似 ADC 时，遇到过哪些有趣的问题或挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。