AD9114/AD9115/AD9116/AD9117：高性能双路低功耗数模转换器的深度解析

在电子设计领域，数模转换器（DAC）是连接数字世界和模拟世界的关键桥梁。今天，我们要深入探讨的是ADI公司的AD9114/AD9115/AD9116/AD9117系列双路低功耗数模转换器，看看它们在性能、功能和应用方面有哪些独特之处。

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一、产品概述

AD9114/AD9115/AD9116/AD9117是引脚兼容的双路8/10/12/14位低功耗数模转换器，采样率高达125 MSPS。这些TxDAC®转换器针对通信系统的发射信号路径进行了优化，所有器件共享相同的接口、封装和引脚排列，方便根据性能、分辨率和成本进行向上或向下的组件选择。

二、产品特性

2.1 低功耗设计

该系列DAC采用1.8 V至3.3 V单电源供电，在100 MSPS时总功耗可降至225 mW。还提供睡眠和掉电模式，适用于低功耗空闲期，例如在一些便携式设备中，这种低功耗特性可以显著延长电池续航时间。

2.2 出色的AC和DC性能

• SFDR表现：在不同输出频率下，具有较高的无杂散动态范围（SFDR）。例如，在1 MHz输出时，SFDR可达86 dBc；在10 MHz输出时，SFDR为85 dBc 。
• 低噪声：以AD9117为例，在1 MHz输出、125 MSPS、20 mA条件下，噪声谱密度（NSD）为 -162 dBc/Hz。

2.3 灵活的电源和输出设置

• 电源范围：电源电压范围为1.8 V至3.3 V，能适应不同的电源环境。
• 输出电流：差分电流输出范围为2 mA至20 mA，可根据实际需求进行调整。
• 输出共模：输出共模电平可在0 V至1.2 V之间调节，方便与其他组件进行接口。

2.4 其他特性

• 片上辅助DAC：集成2个片上辅助DAC，可用于一些额外的功能，如直流偏移校正等。
• CMOS输入：采用单端口操作的CMOS输入，兼容性好。
• 小封装：采用40引脚LFCSP封装，符合RoHS标准，节省电路板空间。

三、技术规格

3.1 DC规格

涵盖分辨率、精度（包括差分非线性DNL和积分非线性INL）、输出偏移误差、增益误差等参数。不同型号在分辨率上有所差异，AD9114为8位，AD9115为10位，AD9116为12位，AD9117为14位。在精度方面，经过校准后，DNL和INL的误差都能控制在较小范围内。

3.2 数字规格

包括DAC时钟输入、串行外设接口（SPI）的相关参数，如时钟速率、脉冲宽度、数据建立和保持时间等。例如，DAC时钟输入的最大时钟速率为125 MSPS，SPI的最大时钟速率为25 MHz。

3.3 AC规格

涉及动态性能参数，如输出建立时间、上升时间、下降时间、输出噪声、SFDR、失真（IMD）、NSD等。这些参数反映了DAC在交流信号处理方面的能力。

3.4 绝对最大额定值和热阻

规定了器件的绝对最大电压、温度等参数，以及热阻信息。例如，结温的绝对最大值为125°C，存储温度范围为 -65°C至 +150°C。

四、引脚配置和功能描述

每个型号的引脚配置基本相似，主要包括数字输入引脚、电源引脚、时钟引脚、输出引脚等。不同引脚具有不同的功能，例如：

• DVDDIO：数字I/O电源电压输入，范围为1.8 V至3.3 V。
• CLKIN：LVCMOS采样时钟输入。
• IOUTP和IOUTN：I DAC电流输出和互补电流输出。

五、典型性能特性

通过一系列图表展示了不同型号在不同条件下的性能表现，如INL和DNL的校准前后曲线、NSD与输出频率的关系、IMD与输出频率的关系、SFDR与输出频率的关系等。这些图表可以帮助工程师直观地了解器件的性能特点，从而更好地进行设计。

六、工作原理

6.1 内部结构

由两个DAC、数字控制逻辑和满量程输出电流控制组成。每个DAC包含一个PMOS电流源阵列，能够提供最大20 mA的电流。

6.2 电流源切换

电流源通过PMOS差分电流开关切换到两个输出节点（IOUTP或IOUTN），这种开关架构有助于减少失真和各种时序误差。

6.3 电源和参考

模拟和数字I/O部分有独立的电源输入，可在1.8 V至3.3 V范围内独立工作，核心数字部分（DVDD）需要1.8 V。内部包含1.0 V带隙参考，可通过SPI接口禁用或启用。

七、串行外设接口（SPI）

7.1 接口特点

是一个灵活的同步串行通信端口，兼容大多数同步传输格式，支持单字节或多字节传输，以及MSB先或LSB先的传输格式。

7.2 通信周期

包括指令周期和数据传输周期。指令周期用于写入指令字节，定义数据传输是读还是写、数据传输的字节数以及起始寄存器地址。

7.3 寄存器操作

通过SPI可以对各种寄存器进行读写操作，实现对器件的配置和控制。例如，通过设置不同的寄存器位，可以调整DAC的增益、输出电流、共模电平、校准等。

八、数字接口操作

8.1 数据格式

数字数据以交错双数据速率（DDR）格式提供给芯片，最大保证数据速率为250 MSPS，时钟频率为125 MHz。数据格式可以是无符号二进制或补码格式，可通过TWOS数据控制位选择。

8.2 数据捕获和重定时

通过DCLKIO和CLKIN两个时钟输入，对输入数据进行捕获和重定时，确保数据正确采样。内部有数据重定时器电路，可根据时钟相位关系选择合适的重定时时钟。

九、参考操作和DAC传输函数

9.1 参考操作

内部参考可通过SPI接口禁用或启用，使用内部参考时需要将REFIO引脚通过0.1 μF电容解耦到AVSS。外部参考适用于需要最小增益公差变化或较低温度漂移的应用。

9.2 DAC传输函数

根据输入代码和满量程输出电流，计算输出电流和电压。采用差分输出方式，有助于抵消共模误差源，提高信号功率。

十、应用信息

10.1 输出配置

• 差分耦合：使用RF变压器或差分运算放大器实现差分输出，适用于需要高动态性能和交流耦合的应用。
• 单端缓冲输出：使用运算放大器将DAC输出电流转换为单端电压，适用于对成本和功耗要求较高的应用。
• 差分缓冲输出：使用运算放大器将差分输出转换为单端信号，可提供额外的信号增益。

10.2 辅助DAC

用于直流偏移校正等任务，通过SPI端口驱动。每个辅助DAC与相应的FSADJx电阻共享一个引脚，使用时需要注意相关条件。

10.3 DAC到调制器接口

辅助DAC可用于本地振荡器（LO）抵消，减少LO馈通对系统性能的影响。

10.4 校正非理想性能

通过调整DAC的精细增益和辅助DAC的输出，校正正交调制器的增益失配和LO馈通问题，提高系统性能。

十一、电源供应

11.1 要求

模拟和数字I/O部分有独立的电源输入，核心数字部分需要1.8 V。上电后需要对RESET/PINMD引脚进行脉冲操作，确保器件正常工作。

11.2 建议

使用多种去耦电容，包括10 nF、0.1 μF和10 μF，放置在PCB上靠近器件的位置，减少电源噪声。

十二、总结

AD9114/AD9115/AD9116/AD9117系列数模转换器以其低功耗、高性能、灵活的配置和丰富的功能，适用于无线基础设施、医疗仪器、信号发生器等多种应用场景。工程师在设计过程中，可以根据具体需求选择合适的型号，并合理配置寄存器和外部电路，以实现最佳的性能表现。你在使用这些DAC的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。