AD9740：高性能10位210 MSPS TxDAC® D/A转换器的深度解析

在电子设计领域，D/A转换器（DAC）的性能对于众多应用的成功至关重要。今天，我们将深入探讨Analog Devices推出的AD9740，一款10位、210 MSPS的TxDAC® D/A转换器，它在性能、低功耗等方面表现出色，适用于多种通信和仪器仪表应用。

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一、AD9740概述

AD9740是TxDAC系列的第三代成员，属于高性能、低功耗的CMOS数字 - 模拟转换器。该系列包括8位、10位、12位和14位的DAC，引脚兼容，专门为通信系统的发射信号路径进行了优化。AD9740能够支持高达210 MSPS的更新速率，同时具备出色的交流和直流性能。

1.1 特性亮点

• 高性能与低功耗：在3.3 V电源下，功耗仅为135 mW，还有功耗低至15 mW的掉电模式，适合便携式和低功耗应用。若降低满量程电流输出，功耗可进一步降至60 mW，不过性能会有轻微下降。
• 出色的动态范围：在5 MHz输出、125 MSPS时，信噪比（SNR）可达65 dB，无杂散动态范围（SFDR）性能优秀。
• 灵活的数据格式：支持二进制补码或直接二进制数据格式。
• 多样的输出与接口：提供2 mA至20 mA的差分电流输出，具备CMOS兼容的数字接口。
• 多种封装选择：有28引脚SOIC、28引脚TSSOP和32引脚LFCSP封装。

1.2 应用领域

• 宽带通信发射通道：满足高速数据传输需求。
• 基站与无线本地环路：提供稳定可靠的信号转换。
• 数字无线电链路：确保信号的高质量传输。
• 直接数字合成（DDS）：实现精确的信号生成。
• 仪器仪表：为高精度测量提供支持。

二、技术细节剖析

2.1 功能框图与工作原理

AD9740由DAC、数字控制逻辑和满量程输出电流控制组成。DAC包含一个PMOS电流源阵列，可提供高达20 mA的满量程电流（IOUTFS）。该阵列分为31个相等的电流源构成5个最高有效位（MSBs），接下来的4位由15个相等的电流源组成，其值为MSB电流源的1/16，剩余的最低有效位（LSBs）是中间位电流源的二进制加权分数。

所有电流源通过PMOS差分电流开关切换到两个输出节点（IOUTA或IOUTB）。这种开关架构减少了开关瞬态引起的失真，降低了各种定时误差，并为差分电流开关的输入提供匹配的互补驱动信号。

2.2 参考操作

AD9740内部包含一个1.2 V的带隙基准。内部基准不能禁用，但可轻松被外部基准覆盖，且不影响性能。REFIO引脚根据使用内部或外部基准的不同，作为输出或输入。使用内部基准时，需将REFIO引脚通过0.1 μF电容解耦到ACOM，并将REFLO通过小于5 Ω的电阻连接到ACOM。

2.3 DAC传输函数

AD9740提供互补电流输出IOUTA和IOUTB。IOUTA在所有位为高时提供接近满量程的电流输出，而IOUTB则提供互补输出。电流输出与输入代码和IOUTFS有关，可通过以下公式表示： [IOUTA =(D A C C O D E / 1023) × Ioutres ] [IOUTB =(1023 - D A C C O D E) / 1024 × I{OUTFS }] 其中，(D A C CODE =0) 到1023（十进制表示）。IOUTFS是参考电流IREF的函数，可表示为： [I{OUTFS }=32 × I{REF }] [I{REF}=V{REFIO}/R{SET} ]

2.4 模拟输出

IOUTA和IOUTB可配置为单端或差分操作。通过负载电阻RLOAD，可将其转换为互补的单端电压输出VoutA和VoutB。差分电压VDIFF可通过变压器或差分放大器配置转换为单端电压。差分操作可增强AD9740的失真和噪声性能，减少共模误差源。

2.5 数字输入

AD9740的数字部分由10个输入位通道和一个时钟输入组成。10位并行数据输入遵循标准的正二进制编码，DB9为最高有效位（MSB），DB0为最低有效位（LSB）。DAC输出在时钟的上升沿更新，支持高达210 MSPS的时钟速率。

2.6 时钟输入

不同封装的时钟输入方式有所不同。28引脚封装有单端时钟输入（CLOCK），需驱动到轨到轨CMOS电平。LFCSP封装提供可配置的时钟输入，支持单端和两种差分模式，通过CMODE输入控制模式选择。

2.7 DAC定时

AD9740是上升沿触发的，动态性能对数据转换时间与时钟边缘的关系敏感。一般来说，让数据转换接近时钟下降沿可获得更好的性能，尤其是在采样率较高时。

2.8 功耗

AD9740的功耗取决于电源电压、满量程电流输出、更新速率和重构的数字输入波形等因素。模拟电源电流IAVDD与IOUTFS成正比，对更新速率不敏感；数字电源电流IDVDD则与数字输入波形、更新速率和数字电源DVDD有关。

三、应用配置

3.1 输出配置

• 差分耦合（变压器）：使用RF变压器进行差分 - 单端信号转换，可提供最佳的失真性能，适用于频谱内容在变压器通带内的输出信号。变压器能有效抑制共模失真和噪声，提供电气隔离，并能向负载提供两倍的功率。
• 差分耦合（运算放大器）：运算放大器可实现差分 - 单端转换，适用于需要直流耦合、双极性输出、信号增益和/或电平转换的应用。
• 单端无缓冲电压输出：适用于需要单极性电压输出的应用，将IOUTA或IOUTB连接到适当大小的负载电阻RLOAD，可获得正单极性输出电压。
• 单端缓冲电压输出配置：通过运算放大器进行I - V转换，可保持IOUTA或IOUTB处于虚拟地，最小化非线性输出阻抗对DAC的INL性能的影响，提供最佳的直流线性性能。

3.2 电源和接地考虑

在高速、高分辨率系统中，正确的接地和去耦至关重要。AD9740具有独立的模拟和数字电源及接地引脚，应将模拟电源AVDD和数字电源DVDD分别尽可能靠近芯片解耦到ACOM和DCOM。对于需要单3.3 V电源的应用，可使用差分LC滤波器生成干净的模拟电源。

四、评估板

TxDAC系列评估板可方便地对SOIC和LFCSP封装的AD9740进行设置和测试。该评估板允许用户在各种配置下操作AD9740，包括变压器耦合、电阻端接以及单端和差分输出。数字输入可由各种字发生器驱动，板上还提供了添加电阻网络进行适当负载端接的选项。

五、总结

AD9740凭借其高性能、低功耗、灵活的配置和多样的封装选择，成为通信和仪器仪表领域中D/A转换的理想选择。在实际应用中，工程师们需要根据具体需求合理选择输出配置、电源和接地方式，以充分发挥AD9740的性能优势。你在使用D/A转换器时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。