AD9231：高性能 12 位双路 ADC 的深度剖析

最近在研究高性能模拟 - 数字转换器（ADC），AD9231 这款芯片引起了我的注意，下面就跟大家详细分享一下这款芯片的特点、性能以及使用中的一些注意事项。

文件下载：AD9231.pdf

芯片概述

AD9231 是 Analog Devices 推出的一款 12 位、20 MSPS/40 MSPS/65 MSPS/80 MSPS 的双路 ADC，采用 1.8 V 电源供电。它具备高性能的采样保持电路和片上电压基准，适用于多种应用场景，如通信、雷达、医疗成像等领域。

芯片特性亮点

优异的电气性能

• 高分辨率与高精度：AD9231 提供 12 位的分辨率，在整个工作温度范围内保证无失码。它的偏移误差、增益误差、差分非线性（DNL）和积分非线性（INL）等指标表现出色，例如积分非线性典型值在±0.15 LSB 到 ±0.2 LSB 之间，为数据采集提供了高精度的保障。

  出色的动态性能

• 高信噪比（SNR）和无杂散动态范围（SFDR）：在不同输入频率下，AD9231 都能保持较高的 SNR 和 SFDR。例如，在 9.7 MHz 输入时，SNR 可达 71.3 dBFS，SFDR 可达 93 dBc；在 200 MHz 输入时，SNR 为 69.0 dBFS，SFDR 为 83 dBc。这使得它在处理高频信号时能够有效抑制噪声和杂散信号，保证信号的质量。

  出色的动态性能

• 高信噪比（SNR）和无杂散动态范围（SFDR）：在不同输入频率下，AD9231 都能保持较高的 SNR 和 SFDR。例如，在 9.7 MHz 输入时，SNR 可达 71.3 dBFS，SFDR 可达 93 dBc；在 200 MHz 输入时，SNR 为 69.0 dBFS，SFDR 为 83 dBc。这使得它在处理高频信号时能够有效抑制噪声和杂散信号，保证信号的质量。

SNR 和 SFDR 是衡量 ADC 性能的关键指标。高 SNR 意味着 ADC 能够更准确地将模拟信号转换为数字信号，减少噪声对信号的干扰。在实际应用中，如通信系统里，高 SNR 可以提高信号的清晰度和可靠性，减少误码率。而 SFDR 则反映了 ADC 对杂散信号的抑制能力，高 SFDR 可以避免杂散信号对有用信号的干扰，提高系统的动态范围。对于通信系统而言，能够在复杂的电磁环境中准确地接收和处理信号。

低功耗设计

AD9231 在功耗方面表现出色，其功耗与采样率相关。在 20 MSPS 时，每通道功耗仅 32 mW；在 80 MSPS 时，每通道功耗为 71 mW。这种低功耗特性使得它非常适合应用于电池供电的设备，如手持示波器、便携式医疗成像设备等，能够有效延长设备的续航时间。

灵活的时钟输入

• 多种时钟信号支持：AD9231 的时钟输入可以是 CMOS、LVDS、LVPECL 或正弦波信号，这为工程师在设计系统时提供了更多的选择，可以根据实际需求灵活配置时钟源。
• 时钟分频和同步功能：内部集成了输入时钟分频器，可将输入时钟进行 1 - 8 的整数分频。通过外部 SYNC 输入，还能实现时钟分频器的同步，确保多个 ADC 的输入采样同步，满足多通道应用的需求。
• 时钟占空比稳定器（DCS）：该功能可对时钟的非采样（下降）沿进行重新定时，提供标称 50% 占空比的内部时钟信号，使得用户可以提供较宽范围的时钟输入占空比，而不会影响 AD9231 的性能。不过，需要注意的是，DCS 对时钟上升沿的抖动改善有限，且在时钟频率低于 20 MHz 时，DCS 功能可能无法正常工作。

丰富的数字功能

• 多种数据输出格式：输出数据格式可以选择偏移二进制、格雷码或二进制补码，方便与不同的数字系统进行接口。通过设置 SCLK/DFS 引脚或使用 SPI 控制，能够灵活选择所需的数据格式。
• 内置自测试（BIST）功能：可以对 AD9231 的数字数据路径进行全面测试。在复位后执行 BIST 测试，将内部伪随机噪声（PN）源的数据通过数字数据路径，最后通过 CRC 逻辑计算签名并与预设值比较，判断测试是否通过。这有助于工程师快速验证芯片的完整性，进行板级调试。
• 输出测试模式：提供多种输出测试选项，可将可预测的值置于 AD9231 的输出端。在启用输出测试模式时，ADC 的模拟部分与数字后端模块断开，测试模式可以在有或无模拟信号的情况下进行，但需要编码时钟。

应用领域广泛

AD9231 的高性能和灵活性使其在多个领域得到广泛应用：

• 通信领域：适用于多样性无线电系统、多模式数字接收器、GSM、EDGE、W - CDMA、LTE、CDMA2000、WiMAX、TD - SCDMA 等通信标准，以及 I/Q 解调系统和智能天线系统。
• 仪器仪表领域：可用于电池供电的仪器，如手持示波器，以及便携式医疗成像设备，如超声设备等。
• 雷达/LIDAR 领域：能够满足雷达和激光雷达系统对高速、高精度数据采集的需求。

设计注意事项

在使用 AD9231 进行设计时，需要注意以下几点：

• 电源和接地：建议使用两个独立的电源，一个 1.8 V 用于模拟供电（AVDD），另一个 1.8 - 3.3 V 用于数字输出供电（DRVDD）。如果使用公共电源，需要使用铁氧体磁珠或滤波扼流圈以及独立的去耦电容进行隔离。同时，要确保 PCB 上有足够的去耦电容，且放置位置靠近芯片引脚，以减少电源噪声。
• 时钟输入：时钟信号应作为模拟信号处理，避免数字噪声对其调制。尽量使用低抖动、晶体控制的振荡器作为时钟源，如果时钟是通过其他方式生成的，应在最后一步由原始时钟进行重新定时。
• SPI 接口：在需要 ADC 发挥全动态性能时，SPI 接口不应处于活动状态，因为 SCLK、CSB 和 SDIO 信号通常与 ADC 时钟异步，其噪声可能会降低转换器的性能。如果 SPI 总线还用于其他设备，可能需要在总线和 AD9231 之间提供缓冲器，以防止这些信号在关键采样期间在转换器输入处发生转换。

总之，AD9231 是一款性能优异、功能丰富的 12 位 ADC，为电子工程师在设计高速、高精度数据采集系统时提供了一个可靠的选择。通过合理的设计和应用，可以充分发挥其优势，满足不同领域的需求。各位工程师在实际应用中，不妨多尝试这款芯片，看看它能为你的项目带来怎样的惊喜。