14位单芯片ADC：首款采样速度超过1MSPS的ADC

作者：Mike Walsh, Larry Singer, and Joe DiPilato

AD924x系列是业界首款超过14 MHz采样速率的单芯片1位模数转换器（ADC）。采用MQFP-44封装的三款引脚兼容器件AD9240、AD9243和AD9241的额定时钟速率分别为10、3和1.25MHz。凭借其12位对应产品AD9220/23/21系列，它们构成了一套完整的高性能CMOS A/D转换器解决方案。

单芯片单电源AD924x系列转换器终于提供了高性能的优势，同时显著节省了成本、功耗和电路板空间。它们将取代的组装混合体和模块的成本高达数百美元，耗散功率，并且通常封装在大型 24 引脚 DIP 中;它们采用至少两个电源供电，通常额定温度范围为 0 至 70°C。AD924x系列的价格和功耗比流行的竞争性混合动力系列低5至20倍，体积更小，动态特性更好。下表列出了AD924x系列的一些关键规格[SNR（信噪比）、SINAD（信噪比和失真）、THD（总谐波失真）和SFDR（无杂散动态范围）]。这些器件采用 5V 单电源供电，具有所示的低功耗特性。

它们的高性能、低功耗和低价格在通信和成像等新兴和下一代消费类应用中尤为重要。它们将用于蜂窝和PCS基站，ADSL/HDSL调制解调器，平板和鼓式文档扫描仪，胶片和X射线扫描仪，红外和医学成像仪。

对于通信，宽输入带宽，低失真和宽动态范围以及低功耗是主要吸引力。宽动态范围有助于降低接收器IF条的增益要求。高输入带宽允许AD924x系列用于欠采样应用，以执行IF至基带下变频/混频下降。对于成像而言，其低噪声、14位无失码和SNR性能是关键。此外，红外成像应用受益于低功耗（发热）;ADC可以靠近红外传感器。高性能、低功耗和低价格的其他应用包括：仪器仪表、雷达、防撞系统、测试设备、信号分析和数据采集。

与ADI公司提供的许多高速转换器一样，AD924x系列基于多位流水线架构，但采用低功耗开关电容电路实现。图1所示为完整ADC的框图。具有差分输出的低噪声宽带采样保持放大器（SHA）位于流水线内核之前，可接受高达5 V p-p的单端或差分输入。从SHA的输出来看，信号路径是全差分的。第一个流水线级转换 5 个最高有效位，并放大余数或残差，以便在接下来的三个 4 位级进行连续转换。然后，对四个流水线阶段的这些部分转换结果进行时间对齐并相加（有一点重叠），以获得最终的 14 位结果。每个时钟周期都会产生一个新的转换，延迟为 3 个周期。

图1.14位流水线ADC架构。

转换器的整体直流精度（INL、DNL）在很大程度上取决于第一流水线级的精度，而第一级的精度受到电容失配的限制。通过在第一个流水线级转换5位，可以充分抑制电容失配的影响，无需片内校准即可实现14位精度。积分非线性和微分非线性通常分别为±2.5和±0.6 LSB。

A/D的动态和噪声性能在很大程度上取决于输入SHA的性能，输入SHA经过精心优化，可在中等宽带宽内提供低噪声和失真。典型折合到输入端的噪声为0.36 LSB或110 mV rms。图2比较了三个器件在指定采样速率下的典型S/（N+D）和总谐波失真（THD）与输入频率的函数关系。这些图显示出远远超出器件各自奈奎斯特频率的卓越动态性能。

图2.SINAD 和 THD 与信号频率的关系

片内带隙基准电压源可通过引脚绑定至1 V或2.5 V，也可以使用外部电阻分压器设置为介于两者之间的任何电压。可选地，可以使用外部基准电压源。AD924x系列采用44引脚MQFP封装，工作温度范围为-40至+85°C扩展工业温度范围。

审核编辑：郭婷