AD9246：高性能14位ADC的深度剖析与应用指南

在当今的电子设计领域，模拟 - 数字转换器（ADC）扮演着至关重要的角色。今天我们要深入探讨的是Analog Devices推出的AD9246，一款14位、采样率可达80 MSPS/105 MSPS/125 MSPS的高性能ADC。

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一、AD9246概述

AD9246是一款单芯片、单1.8 V电源供电的14位ADC，它集成了高性能的采样保持放大器（SHA）和片上电压基准。采用多级差分流水线架构和输出误差校正逻辑，能在125 MSPS的数据速率下保证14位的精度，并且在整个工作温度范围内保证无漏码。

（一）特性亮点

1. 电源与性能：采用1.8 V模拟电源供电，输出电源范围为1.8 V至3.3 V，具有出色的信噪比（SNR）和无杂散动态范围（SFDR）。例如，在70 MHz输入时，SNR可达71.7 dBc（72.7 dBFS），SFDR可达85 dBc。
2. 低功耗设计：在125 MSPS采样率下，功耗仅为395 mW，适合对功耗要求较高的应用场景。
3. 输入灵活性：差分输入带宽达650 MHz，输入范围可在1 V p - p至2 V p - p之间灵活选择，支持单端应用。
4. 功能丰富：片上集成电压基准和采样保持放大器，具备时钟占空比稳定器、数据输出时钟、串行端口控制以及内置可选数字测试模式生成等功能。

（二）应用领域

AD9246广泛应用于超声设备、通信接收机的中频采样、电池供电仪器、手持示波器和低成本数字示波器等领域。

二、技术规格详解

（一）直流规格

在直流规格方面，AD9246的分辨率为14位，保证无漏码。增益误差和偏移误差在不同采样率下有明确的指标，如在AD9246BCPZ - 125型号中，增益误差在全温度范围内为±0.3%至±0.8% FSR，偏移误差为±0.6%至±4.2% FSR。内部电压基准输出电压误差在不同模式下有相应的范围，输入参考噪声在特定条件下也有明确的数值。

（二）交流规格

交流规格中，SNR、SINAD、ENOB等指标随着输入频率的变化而有所不同。例如，在2.4 MHz输入频率下，25°C时SNR可达71.9 dBc；在70 MHz输入频率下，25°C时SNR为71.7 dBc。SFDR在不同输入频率下也表现出色，如在70 MHz输入时，SFDR可达85 dBc。

（三）数字规格

数字规格涵盖了差分时钟输入、逻辑输入和数字输出等方面。差分时钟输入支持CMOS/LVDS/LVPECL等多种逻辑电平，输入电压范围和输入电流等参数都有明确的规定。数字输出可根据DRVDD的不同设置不同的输出电压。

（四）开关规格

开关规格包括时钟输入参数和数据输出参数。时钟输入参数如转换速率、时钟周期、时钟脉冲宽度等，数据输出参数如数据传播延迟、DCO传播延迟、建立时间和保持时间等都有详细的指标。

三、工作原理与设计要点

（一）架构原理

AD9246的架构由前端采样保持放大器（SHA）和流水线式开关电容ADC组成。量化输出在数字校正逻辑中组合成最终的14位结果。流水线架构允许第一级处理新的输入样本，而其余级处理之前的样本，采样发生在时钟的上升沿。

（二）模拟输入考虑

模拟输入采用差分开关电容SHA，在处理差分输入信号时具有最佳性能。时钟信号交替将SHA切换到采样模式和保持模式，输入信号源需在半个时钟周期内为采样电容充电并稳定。在中频欠采样应用中，应减少并联电容以避免限制输入带宽。同时，为了获得最佳动态性能，驱动VIN +和VIN -的源阻抗应匹配，以减少共模失调误差。

（三）电压基准

AD9246内置稳定准确的电压基准，输入范围可通过改变施加到芯片的参考电压进行调整。参考模式包括内部固定参考、可编程参考和外部参考等，用户可根据具体需求进行选择。

（四）时钟输入

为了获得最佳性能，AD9246的采样时钟输入（CLK +和CLK -）应采用差分信号。时钟输入可以是CMOS、LVDS、LVPECL或正弦波信号，时钟源的抖动是关键因素。AD9246还内置了占空比稳定器（DCS），可在较宽的时钟占空比范围内保持ADC的整体性能。

（五）功耗与待机模式

AD9246的功耗与采样率成正比，数字功耗主要由数字驱动器的强度和每个输出位的负载决定。通过断言PDWN引脚高电平，可将AD9246置于掉电模式，此时功耗仅为1.8 mW。在待机模式下，用户可通过SPI端口接口保持内部参考电路供电，以实现更快的唤醒时间。

（六）数字输出

AD9246的输出驱动器可与1.8 V至3.3 V的逻辑系列接口，输出数据格式可选择偏移二进制、二进制补码或格雷码。当模拟输入电压超出ADC的输入范围时，会出现超出范围（OR）条件，OR输出会相应变化。同时，AD9246具有三态能力，可通过OEB引脚控制输出数据驱动器的使能。

四、SPI接口与配置

（一）SPI接口功能

AD9246的串行端口接口（SPI）允许用户通过ADC内部的结构化寄存器空间对转换器进行特定功能或操作的配置。通过SPI接口，用户可以访问和修改寄存器，实现诸如设置电源模式、时钟控制、偏移调整、测试模式设置等功能。

（二）配置方法

SPI接口由SCLK/DFS、SDIO/DCS和CSB三个引脚定义。SCLK/DFS用于同步读写数据，SDIO/DCS用于数据的输入和输出，CSB用于控制读写周期。在使用SPI接口时，通过特定的指令和数据传输来实现对寄存器的读写操作。同时，当不使用SPI接口时，部分引脚具有双重功能，可作为独立的CMOS兼容控制引脚。

五、布局考虑与评估板

（一）布局要点

在PCB布局时，建议使用两个独立的电源，分别为模拟（AVDD）和数字（DRVDD）供电。如果只有一个1.8 V电源，可通过铁氧体磁珠或滤波扼流圈和去耦电容进行隔离。同时，CML引脚应通过0.1 μF电容接地，RBIAS引脚需连接一个10 kΩ电阻到地，VREF引脚应通过低ESR电容进行外部去耦。

（二）评估板介绍

AD9246评估板提供了所有必要的支持电路，可实现ADC的各种模式和配置。评估板可通过双巴伦配置或AD8352差分驱动器驱动ADC，也可采用单端驱动方式。评估板还配备了开关电源，可提供6 V、2 A的最大输出，同时可根据需要单独为各个部分供电。在连接时钟和模拟源时，应使用低相位噪声的信号发生器，并使用合适的滤波器对模拟输入信号进行滤波。

六、总结与思考

AD9246作为一款高性能的14位ADC，具有丰富的功能和出色的性能指标。在实际应用中，电子工程师需要根据具体的应用场景和需求，合理选择输入配置、时钟源和电源方案，同时注意PCB布局和信号处理，以充分发挥AD9246的优势。那么，在你的设计中，AD9246是否能满足你的需求呢？你在使用类似ADC时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。