14位300 MSPS高速TxDAC+® D/A转换器AD9755：性能与应用解析

一、引言

在电子设计领域，高速D/A转换器是实现数字信号到模拟信号转换的关键器件。AD9755作为一款14位、300 MSPS的高速TxDAC+® D/A转换器，凭借其卓越的性能和广泛的应用场景，受到了众多工程师的关注。本文将深入剖析AD9755的特点、性能指标、工作原理以及应用案例，为电子工程师在设计中合理选用该器件提供参考。

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二、AD9755概述

2.1 产品特性

• 高分辨率与高速转换：AD9755是一款14位的双复用端口DAC，具备300 MSPS的输出更新速率，能够满足高速数据处理的需求。
• 出色的动态性能：拥有优秀的SFDR（无杂散动态范围）和IMD（互调失真）性能，例如在25 MHz输出时，SFDR可达71 dB。
• 灵活的时钟输入：内部集成时钟倍频PLL，支持差分或单端时钟输入，为系统设计提供了更多的灵活性。
• 片上参考电压：集成了1.2 V的片上参考电压，简化了外部电路设计。
• 低功耗设计：采用单3.3 V电源供电，功耗仅为155 mW，适合低功耗应用场景。
• 封装形式：采用48引脚的LQFP封装，便于安装和布局。

2.2 应用领域

• 通信领域：适用于LMDS（本地多点分配系统）、LMCS（本地微波通信系统）、MMDS（多路微波分配系统）等通信系统。
• 基站：为基站的信号处理提供高精度的模拟信号输出。
• 数字合成：可用于各种数字合成应用，如信号发生器等。
• QAM和OFDM：在正交幅度调制（QAM）和正交频分复用（OFDM）系统中发挥重要作用。

三、性能指标分析

3.1 直流特性

参数	最小值	典型值	最大值	单位
分辨率	14	-	-	Bits
积分线性误差（INL）	-5	±2.5	+5	LSB
模拟输出偏移误差	-0.025	±0.01	+0.025	% of FSR
增益误差（无内部参考）	-2	±0.5	+2	% of FSR
增益误差（有内部参考）	-2	±0.25	+2	% of FSR
满量程输出电流	2.0	-	20.0	mA
输出合规范围	-1.0	-	+1.25	V
输出电阻	-	100	-	kΩ
输出电容	-	5	-	pF
参考输出电压	1.14	1.20	1.26	V
参考输出电流	-	100	-	nA
参考输入合规范围	0.1	-	1.25	V
参考输入电阻	-	1	-	MΩ
温度系数（偏移漂移）	-	0	-	ppm of FSR/°C
温度系数（增益漂移，无内部参考）	-	±50	-	ppm of FSR/°C
温度系数（增益漂移，有内部参考）	-	±100	-	ppm of FSR/°C
温度系数（参考电压漂移）	-	±50	-	ppm/°C
电源电压（AVDD）	3.0	3.3	3.6	V
电源电压（DVDD）	3.0	3.3	3.6	V
电源电压（PLLVDD）	3.0	3.3	3.6	V
电源电压（CLKVDD）	3.0	3.3	3.6	V
模拟电源电流（I_AVDD）	-	33	36	mA
数字电源电流（I_DVDD）	-	3.5	4.5	mA
PLL电源电流（I_PLLVDD）	-	4.5	5.1	mA
时钟电源电流（I_CLKVDD）	-	10.0	11.5	mA
功耗（3 V，I_OUTFS = 20 mA）	-	155	165	mW
功耗（3 V，I_OUTFS = 20 mA）	-	216	-	mW
电源抑制比（AVDD）	-1	-	+1	% of FSR/V
电源抑制比（DVDD）	-0.04	-	+0.04	% of FSR/V
工作温度范围	-40	-	+85	°C

3.2 动态特性

• 最大输出更新速率：可达300 MSPS，满足高速信号处理的要求。
• 输出建立时间：典型值为11 ns，能够快速稳定输出信号。
• 输出传播延迟：典型值为1 ns，减少信号传输延迟。
• 毛刺脉冲：典型值为5 pV - s，降低了输出信号的干扰。
• 输出上升时间和下降时间：典型值均为2.5 ns，保证了信号的快速变化。
• 输出噪声：在不同满量程电流下有不同的噪声水平，如I_OUTFS = 20 mA时为50 pA/√Hz，I_OUTFS = 2 mA时为30 pA/√Hz。
• 无杂散动态范围（SFDR）：在不同的输出频率和更新速率下表现出色，例如f_DAC = 300 MSPS，f_OUT = 1.1 MHz时，SFDR可达80 dBc。
• 总谐波失真（THD）：在不同的工作条件下，THD也能满足设计要求，如f_DAC = 100 MSPS，f_OUT = 1.00 MHz，TA = 25°C时，THD为 - 83 dBc。

四、工作原理

4.1 功能框图

AD9755的功能框图展示了其内部结构，主要包括PMOS电流源阵列、DAC锁存器、复用器、参考电压、PLL等部分。PMOS电流源阵列能够提供高达20 mA的满量程电流，通过PMOS差分电流开关将电流源切换到IOUTA或IOUTB输出。

4.2 参考操作

• 内部参考：AD9755内部集成了1.20 V的带隙参考电压，可通过将REFIO引脚与ACOM之间连接0.1 μF电容来使用内部参考。
• 外部参考：也可以使用低阻抗的外部参考电压，将其应用到REFIO引脚，此时不需要0.1 μF的补偿电容。

4.3 PLL时钟倍频器操作

PLL是AD9755正常工作的关键部分，它为边沿触发锁存器、复用器和DAC提供内部同步的2倍时钟。通过设置DIV0和DIV1的逻辑电平，可以控制PLL的分频比，以适应不同的输入时钟频率。

4.4 DAC时序

• PLL激活模式：在PLL激活模式下，Port 1和Port 2的输入锁存器在CLK的上升沿更新，数据会在经过一定的传播延迟后更新DAC输出。
• PLL禁用模式：当PLL禁用时，需要外部时钟以所需的DAC输出更新速率驱动CLK输入。此时，DIV0和DIV1用于设置输入复用器的模式，实现数据的交错或非交错处理。

五、应用电路设计

5.1 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，能够提供出色的失真性能和共模抑制能力。例如Mini - Circuits T1 - 1T变压器，可在20 mA满量程电流下为50 Ω负载提供0 dBm的功率。
• 差分耦合（运放）：采用运放进行差分 - 单端转换，适用于需要直流耦合、双极性输出、信号增益和电平转换的应用。如使用AD8047运放的电路，可实现信号的放大和电平转换。
• 单端无缓冲电压输出：将IOUTA或IOUTB连接到合适的负载电阻，可实现单极性电压输出，适用于单电源系统的直流耦合、接地参考输出电压应用。
• 单端缓冲电压输出：使用运放进行I - V转换，将IOUTA或IOUTB转换为负单极性电压输出，能够提供较好的直流线性度。

5.2 电源和接地考虑

• 电源抑制比：电源的直流变化或交流噪声会影响DAC的输出性能，AD9755的电源抑制比特性表明，在不同频率下对电源噪声有一定的抑制能力。
• 接地和去耦：为了确保系统的性能，需要对模拟和数字电源进行适当的去耦处理，将AVDD和DVDD分别去耦到ACOM和DCOM。对于单3.3 V电源应用，可以使用差分LC滤波器来生成干净的模拟电源。

六、应用案例

6.1 QAM/PSK合成

在QAM（正交幅度调制）或PSK（相移键控）合成中，AD9755能够以高速率合成宽带正交载波。例如，在25 MSymbol/S的QAM信号合成中，AD9755可以将信号调制到25 MHz载波上，并通过后续的混频器将信号转换到所需的发射频率。

6.2 伪零填充/IF模式

AD9755可以在伪零填充模式下工作，通过将两个输入通道的数据交错到DAC，提高中频（IF）频率下的动态范围。这种模式对于合成IF信号非常有用。

七、评估板使用

AD9755 - EB评估板为工程师提供了一个方便的平台来评估AD9755的性能。通过合理设置评估板上的跳线和连接外部设备，可以实现不同模式的操作，如差分或单端输出评估、PLL启用或禁用等。

八、总结

AD9755作为一款高性能的14位300 MSPS高速D/A转换器，具有高分辨率、高速转换、出色的动态性能和低功耗等优点。在通信、基站、数字合成等领域有着广泛的应用前景。工程师在设计中可以根据具体的应用需求，合理选择输出配置、电源和接地方案，以充分发挥AD9755的性能优势。同时，通过评估板的使用，可以快速验证设计的可行性，加快产品的开发进程。

大家在使用AD9755的过程中，是否遇到过一些特殊的问题呢？欢迎在评论区分享交流。