12b双通道高速A/D转换器AD9238的原理及应用

AD9238是美国模拟器件公司（ADI）在2002年8月推出的业界最快的12 b双通道模数转换器。AD9238与ADI公司的驱动运算放大器配合可以给医疗成像、多通道通信等高端应用提供完整的解决方案。

AD9238分3种型号，采样率最高分别可达20 MS/s，40 MS/s和65 MS/s。他可以提供与单通道A/D转换器同样优异的动态性能，但是比使用2个单通道A/D转换器具有更好的抗串扰性能。

AD9238三种型号的功耗分别为180 mW，330 mW和600 mW，只有同类A/D转换器的1/2。他采用64脚LQFP封装（尺寸只有9 mm×9 mm），非常适合在对尺寸要求严格的场合中使用。

1 AD9238的主要特点：

集成了2个12 b的单通道A/D转换器AD9235（20/40/65 MS/s）；采用单一3 V供电（2．7～3．6 V）；RSN＝70 dBc（最高采样频率时,AD9238-65,此值为典型值）;RSFD＝85 dBc（最高采样频率时,AD9238-65,此值为典型值）；ENOB＝11.3 b（有效位数，典型值）；差分输入时有500 MHz的3 dB带宽；有片上的参考电压和SHA；1～2Vp-p 的模拟输入范围；输出数据格式为偏移二进制码或者是二进制补码;AD9238-65还带有片上时钟占空比调整电路；通道间串扰为－80 dBc＠fIN＝10 MHz。

2　芯片内部结构及原理说明

如图1所示，AD9238由2个基于AD9235转换器核的高性能A/D转换器组成。这2个ADC通道除了共用内部的电压参考源VREF，其他基本是独立的。每个ADC通道都包含有1个前端采样保持放大器（SHA）和1个流水线ADC。该流水线ADC分为三级，第一级是1个4 b的闪速（Flash）ADC，第二级是8个1．5 b的闪速ADC，第三级是1个4 b的闪速ADC。每一级都提供有充分的位数重叠来纠正前一级的错误，每级的量化输出再加上数字误差校正可以保证最后得到12 b的有效位数。流水线的结构允许前一级在完成某一采样工作后进行新的采样，而后一级仍在进行先前的采样工作。

流水线的每一级（除了最后一级）都有一个低位数的DAC和一个乘法器来驱动下一级。乘法器用闪速ADC的输出来控制开关电容DAC。DAC的输出减去输入信号再经放大后送入下一级流水线，乘法器这一级也叫做乘法DAC（MDAC）。每一级有1 b用来对前一级的错误进行数字校正。最后一级只包括一个闪速ADC。冲器。输出缓冲器单独供电，这样可以方便地对输出电压进行调节。AD9238有64个管脚，管脚分布如图2所示。





3 AD9238应用系统设计

A/D转换器的应用属于数字模拟混合电路设计，以下对AD9238应用系统设计时需要重点考虑的几个问题进行详细论述。

3.1 模拟输入

AD9238的模拟输入端（管脚2，3，14，15）是一个差分开关电容电路（SHA），他可以接收1-2Vp-p范围的单端或者差分模拟输入信号。

SHA电路根据时钟信号选择处于采样模式或者是保持模式。在SHA电路的每个输入端串接一个小的电阻可以减小从输出级驱动源产生的瞬时峰值电流，并接一个电容可以提供动态负载电流。这个无源网络组成了一个输入低通滤波器。

REFT和REFB分别提供了内部正负差分电压参考。 他们定义了ADC内核的电压范围，有关的关系如下：



内部电压参考（VREF）的范围是0．5～1．0 V，按照上述关系，外部电压输入范围为1．0～2．0 V。当AD9238工作在最大的输入范围时(2Vp-p模式时），可以获得最大的RSN（信噪比）性能，当工作在1Vp-p模式时，RSN会下降3 dB。

如前所述，AD9238可以采用单端或者差分模拟输入。当工作在差分输入模式时，会有比较好的性能。这时建议采用AD公司的差分运放AD8138作为ADC的驱动芯片。当AD9238工作在单端输入模式时，ADC的性能会有所下降（如SFDR和SNR指标），但是比较适合低成本的应用，这时还是可以保证比较好的性能。

3．2 时钟信号

高速的ADC对时钟的占空比很敏感，一般来说需要有50％（±5％）的占空比。AD9238给每个通道单独提供时钟（管脚CLK＿A和CLK＿B），当2个通道的采样时钟同频同相时会有比较好的性能，当2个通道不同步时性能会有所下降。

AD9238-65内部有2个时钟占空比调节器，可以将占空比调整到50％（当使能DCS管脚时）。另外两种型号没有这种功能。

时钟信号的电源驱动应该和输出数字信号驱动分开，以避免混入数字噪声。时钟信号的孔径抖动对ADC的性能影响较大，所以最好采用抖动比较小的晶振作为时钟源。

AD9238三种信号的最高时钟频率分别为20 MS/s，40 MS/s和65 MS/s，最低的时钟频率都为1 MS/s，当时钟频率低于1 MS/s时动态性能会下降。

3．3 电源与接地

AD9238供电电压范围为2．7～3．6 V，分为模拟电源（AVDD，共4个管脚）和数字电源（DRVDD，共3个管脚）。每个通道可以独立地工作在休眠模式（通过使能PWDN＿A或者PWDN＿B）。在这种模式下器件功耗很低。

AD9238的数字输出驱动可以根据DRVDD的值设置成2．5 V或者3．3 V输出。这样可以适应不同系列的器件。

AD9238具有2种接地管脚：AGND（第1，4，13，16管脚）和DRGND（第28，40，53管脚）。模拟地（AGND）用作模拟信号的参考地，整个系统的模拟地应该尽量靠近这些管脚。数字地（DRGND）用做芯片数字部分对地电流的回路。在模拟电源和模拟地之间应该用4组旁路电路隔离开（每组有2个0．001μF和0．1μF的电容），在数字电源和数字地之间用3组旁路电路隔离开（每组有22个0．001μF和0．1μF的电容）。