高性能低功耗模数转换器ADS249的介绍及其应用

摘要：现代信息处理应用中，对模数转换器的速度、精度、功耗和动态性能等关键性能指标不断提出更高的要求。针对模数转换的实际应用，提出并设计了一种基于TI公司生产的双通道14位250MSPS低功耗A／D转换器ADS4249的RGB视频编码器电路设计。这款A／D转换器的技术创新点在于其完美的实现高动态性能的同时又能拥有1．8V起低功耗。这一特性使得ADS4249非常适合多载波，宽带通信的信号处理应用。
关键词：双通道；低功耗；模数转换器；多载波；宽带通信

    伴随半导体技术、数字信号处理技术及通信技术的飞速发展，A／D、D／A转换器近年也呈现高速发展的趋势。人类数字化的浪潮推动了A／D、D／A转换器不断变革，现在，在通信产品、消费类产品、工业医疗仪器乃至军工产品中无一不显现A／D、D／A转换器的身影，可以说，A／D、D／A转换器已经成为人类实现数字化的先锋。
    随着混合信号电路在数据传输、通信等领域中发挥着日益重要的作用，高带宽、高性能的模数转换器设计成为了关注的重点和难点。尤其是在信息应用中，对摸救转换器的速度、精度、功耗、和动态性能等关键性能指标都提出了更高的要求。设计系统的实用性及适用性不仅取决于实现效率更高、精度更高、功耗更小的系统，同时还要使之满足更高性能的规范要求。因此，如何提高模数转换器的高带宽、高性能性能及低功耗是衡量系统是否具有良好的应用价值的标准。为此，针对模数转换的实际应用，撮出并设计了一种基于TI公司生产的双通道14位250MSPS低功耗A／D转换器ADS4249的RGB视频编码器电路设计。
    ADS4249，作为TI双通道ADS42微功耗12／14位模数转换器家族的薪成员，这款A／D转换器的技术创新点在于其完美的实现高动态性能的同时又能拥有1.8V超低功耗。这一特性使得ADS4249非常适合多载波，宽带通信的信号处理应用。
    ADS4249具有可被用予改善动态范围性能较低的满量程输入范围的增益选择，同时包含了一个可以用于消除ADC偏移的偏移校正回路。ADS 4249具有可以单独使用并行或串行接口控制程序的功能，DDR LVDS和CMOS并平接口数字输出信号都可以在一个紧凑的qfn-64powerpad?包内加载。
    该器件采用无引线QFN封装取代了传统的外引脚及相关的去耦电容。其工作温度可达到工业级(-40～+85℃)。

1. ADS4249应用信息
1．1 工作原理
    ADS4249是TI超低功耗系列产品中双通道12／14位AD转换器。在输入时钟发起的每一个上升沿，每个信道的模拟输入信号都被在同一时间采样。在每个信道中的采样信号都将转换成一系列低分辨率阶跃，在每个阶跃中采样或保持信号又被转换成一个高速，低分辨率，速闪子ADC。阶跃输入和等效量化的区别在于传输到下一级的增益不同。
    在每一个时钟，每个下级信号将采样信号分解的更加精准。所有阶跃的数字输出信号组合成一个数字校正逻辑块，同时在16个时钟周期数据延时产生最终的数字化输出代码。这个代码可以用于DDR LVDS或并联CMOS，同时编码或者直偏移二进制或二进制补码格式。最初的一级的子ADC的动态偏移量限制了模拟输入的最大频率约为400MHz(2-V振幅)或者600 MHz(1-V振幅)。
1．2 模拟输入
    模拟输入由一个基于开关电容的微分S／H结构组成，这种微分拓扑布局保证了高输入频率下的高采样频率。INP和INM引脚要外偏置围绕着0．95 V，共模电压，作用于VCM引脚，为了保证全差分输入，INP和INM引脚的偏置电压必须在VCM+0．5 V和VCM 0．5 V之间保持平衡，从而保证2 V微分输入偏置。输入采样电路在频率到达550 MHz是具有3-dB带宽(测量值源于输入引脚的电压取样)。模拟输入信号的等效电路如图1所示。

1．3 驱动电路
    图2～图4为3种不同结构的驱动电路设计。这3种电路分别是：低输入频率下的低带宽设计、较高输入频率下的高带宽设计、极高输入频率下的极高带宽设计。

    这里值得注意的是：3种驱动电路在ADC附近的50 Ω处中止。这是由设备的0．95 VCM到每个25 Ω输入引脚完成的。这种结构允许模拟输入信号在所需的共模电压附近产生偏移量。电感之间的变压器的寄生电容错误匹配将导致偶次谐波性能退化。串连2个相同的RF变压器则有助于减少这种不匹配性，对于高频输入信号将会有更好的性能表现。
    例如，ADT1-1WT可以被用于前两种结构电路中，如图2、图3所示，而ADTL2-18则可以被用于第3种结构电路中，如图4所示。

    两个变压器中间可以任意选择一对终端电阻，例如图2、图3和图4。为了保持P和M端的平衡性，可以将这对终端电阻的中心点接地。在变压器和焊锡面之间可以产生一个50 Ω终端值。
    以上3种驱动电路设计均为50 Ω输入阻抗的1：1变压器，在驱动电路的要求这一部分我们提到，这种电路结构设计有助于产生一个用于吸收采样信号的2短时脉冲干扰信号的低源阻抗。对于1．4的变压器来说，其源阻抗为200 Ω，这样较高的源阻抗是无法有效吸收采样信号的短时脉冲干扰信号的，同时自身性能也相对于1：1变压器有所下降。

    在几乎所有的电路设计中，想要得到较高的驱动能力，就必须使用一个带通或低通滤波器，如图5所示。在这里，滤波器的使用可以有效的产生一个用于吸收采样信号的2短时脉冲干扰信号的低源阻抗，同时还可以减少高源阻抗带来的性能上的损耗。

2 数字功能
    该器件拥有几种较为常用的数字功能(例如测试图形、增益表现、偏差校正)。这些功能的实现需要配合额外的增加总体延迟的时钟线路和设备电源。这些数字功能在源ADC输出信号通过一个有16个时钟周期的延迟的输出数据引脚发送出去或者被重新设置后将无法继续使用。在使用任何数字功能时，EN DIGITAL为必须被置为“1”，在这之后，相应的寄存器位再进行逻辑编程。图6是ADC数字处理过程的详细内容。

3 数字输出信息
    ADS4249可以提供14位数字信号信道，同时伴随输出数字信号还有一个同步的输出时钟。
    ADS4249拥有两种数字输出接口，它们分别是DDRLVDS和并行CMOS。这两种接口可以被用于串行接口寄存器或在并行结构模式下用于SEN引脚的电压设置。

4 应用电路
    图7是一个基于双通道模数转换器ADS4249的RGB视频编码器。视频编码器由两个ADS4249组成，先对模拟视频信号滤波并分离出R、G、B三基色信号，再分别对三基色信号采样、量化，产生各自相对应的8位数据，最终形成24位的图像像素数据。

5 结论
    该设计充分体现了ADS4249双通道采样的设计思想，从而使得图像编码更加方便，图像数据的精度也有了很大提高，完全能够满足绝大多数数字图像处理的需要。
    采用ADS4249进行A／D转换，除了具有低功耗，高速处理能力的特点之外，其250 MSPS的最大采样率，总功耗仅560 mW，可编程增益高达6分贝等特性，非常使用于多载波，宽带通信、无线通信基础设施、数据采集处理及测量等多领域。