AD9861：寬帶應(yīng)用的混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器

在當(dāng)今的通信領(lǐng)域，對(duì)于高性能、低功耗且小尺寸的混合信號(hào)前端（MxFE）器件的需求日益增長(zhǎng)。ADI公司的AD9861就是這樣一款出色的產(chǎn)品，它為寬帶應(yīng)用提供了一個(gè)集成度高、功能強(qiáng)大的解決方案。今天，我們就來(lái)深入了解一下AD9861這款器件。

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AD9861概述

AD9861是MxFE系列的一員，專為通信市場(chǎng)設(shè)計(jì)。它集成了雙路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和雙路10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（TxDAC），有-50和-80兩種速度等級(jí)可供選擇。-50型號(hào)針對(duì)50 MSPS及以下的ADC采樣進(jìn)行了優(yōu)化，而-80型號(hào)則適用于50 MSPS至80 MSPS的ADC采樣率。雙路TxDAC的工作速度最高可達(dá)200 MHz，并配備了可旁路的2×或4×插值濾波器。此外，還有三個(gè)輔助轉(zhuǎn)換器，可用于提供系統(tǒng)級(jí)控制電壓或監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)。

AD9861的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗和小尺寸，為寬帶通信市場(chǎng)提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。它采用單輸入時(shí)鐘引腳（CLKIN）生成所有系統(tǒng)時(shí)鐘，通過靈活的20位I/O總線與各種數(shù)字后端或DSP進(jìn)行接口，并且可以通過寄存器編程或模式引腳進(jìn)行配置。

關(guān)鍵特性

1. 收發(fā)路徑設(shè)計(jì)

• 接收路徑：包含雙路10位ADC，具有內(nèi)部或外部參考選項(xiàng)。ADC采用9級(jí)差分流水線開關(guān)電容架構(gòu)，并帶有輸出誤差校正邏輯，采樣發(fā)生在輸入時(shí)鐘的下降沿。這種架構(gòu)允許第一級(jí)處理新的輸入樣本，而其余級(jí)處理先前的樣本，從而提高了處理效率。同時(shí)，差分輸入級(jí)具有直流自偏置功能，可接受差分或單端輸入。
• 發(fā)送路徑：集成雙路10位、200 MSPS的TxDAC，支持1×、2×或4×插值和可編程增益控制。TxDAC核心提供雙差分互補(bǔ)電流輸出，通過可編程增益放大器（TxPGA）、粗增益控制、偏移調(diào)整和細(xì)增益控制來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)失配，提高了信號(hào)的調(diào)制精度和鏡像抑制能力。

2. 時(shí)鐘分布與控制

內(nèi)部時(shí)鐘分布?jí)K包含可編程鎖相環(huán)（PLL）和時(shí)序生成電路，支持單參考時(shí)鐘操作。PLL可以提供1×、2×、4×、8×和16×的乘法功能，并且可以通過寄存器進(jìn)行旁路和電源管理。此外，芯片還包含時(shí)鐘占空比穩(wěn)定器（DCS）電路，可在輸入時(shí)鐘頻率超過40 MHz時(shí)提供標(biāo)稱50%的占空比，以滿足高速應(yīng)用的需求。

3. 靈活的I/O接口

20位靈活I(lǐng)/O數(shù)據(jù)接口支持半雙工模式下的各種交錯(cuò)或非交錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸，以及全雙工模式下的交錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。這種靈活性使得AD9861能夠適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)接口需求，同時(shí)減少了引腳數(shù)量和封裝尺寸。接口可以通過模式引腳或串行可編程接口（SPI）進(jìn)行配置，SPI提供了更多的可編程選項(xiàng)，包括TxDAC路徑的粗、細(xì)增益控制和偏移控制，以及ADC路徑的內(nèi)部占空比穩(wěn)定器和二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)格式。

4. 低功耗設(shè)計(jì)

AD9861具有獨(dú)立的Rx和Tx功率控制引腳，可以分別對(duì)接收和發(fā)送路徑進(jìn)行功率管理。此外，還提供了低功耗ADC模式和TxDAC功率縮放功能，通過電源控制、低功耗模式設(shè)置和半雙工模式，可以進(jìn)一步優(yōu)化功耗，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

5. 輔助轉(zhuǎn)換器

芯片集成了三個(gè)8位電壓輸出輔助數(shù)模轉(zhuǎn)換器（AuxDAC）和兩個(gè)10位逐次逼近寄存器（SAR）輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AuxADC）。AuxDAC可用于提供各種系統(tǒng)控制電壓，而AuxADC則可用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外部信號(hào)。這些輔助轉(zhuǎn)換器可以通過串行可編程寄存器進(jìn)行啟用和控制，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的靈活性。

性能指標(biāo)

1. 發(fā)送路徑

在特定測(cè)試條件下（如(F{DAC}=200 MSPS)，4x插值，(R{SET}=4.02 k Omega) ，差分負(fù)載電阻為(100 Omega) ，(TxPGA =20 dB) ，(AVDD=DVDD=3.3 V) ），AD9861的發(fā)送路徑具有以下性能指標(biāo)：

• 分辨率：10位
• 最大DAC更新速率：200 MHz
• 最大滿量程輸出電流：20 mA
• 滿量程誤差：1%
• 增益失配誤差：±3.5% FS
• 偏移失配誤差：±0.1% FS
• 參考電壓：1.23 V
• 輸出電容：5 pF
• 相位噪聲（1 kHz偏移，6 MHz音調(diào)）：-115 dBc/Hz
• 輸出電壓合規(guī)范圍：-1.0 V至+1.0 V
• TxPGA增益范圍：20 dB
• TxPGA步長(zhǎng)：0.10 dB

2. 接收路徑

對(duì)于AD9861-50，(F{ADC}=50 MSPS) ；對(duì)于AD9861-80，(F{ADC}=80 MSPS) ，在內(nèi)部參考、差分模擬輸入和(ADC_AVDD = DVDD = 3.3 V) 的條件下，接收路徑的性能指標(biāo)如下：

• 分辨率：10位
• 最大ADC采樣率：50/80 MSPS
• 增益失配誤差：±30% FS
• 偏移失配誤差：±0.1% FS
• 參考電壓：1.0 V
• 參考電壓（REFT–REFB）誤差：±6 mV
• 輸入電阻（差分）：2 kΩ
• 輸入電容：5 pF
• 輸入帶寬：30 MHz
• 差分模擬輸入電壓范圍：2 V p-p差分

3. 功耗

在模擬和數(shù)字電源為3.3 V，(F_{CLKIN}=50 MHz) ，PLL 4x設(shè)置和正常時(shí)序模式下，AD9861的功耗指標(biāo)如下：

• 電源電壓范圍：模擬電源（AVDD）和數(shù)字電源（DVDD）為2.7 V至3.6 V，驅(qū)動(dòng)電源（DRVDD）為2.7 V至3.6 V
• 模擬電源電流：發(fā)送路徑（20 mA滿量程輸出）為70 mA，發(fā)送路徑（2 mA滿量程輸出）為20 mA，接收路徑（AD9861-80，80 MSPS）為165 mA等
• 數(shù)字電源電流：不同采樣率和插值模式下有所不同，如雙DAC 50 MSPS DAC更新半雙工模式為50 mA等

應(yīng)用領(lǐng)域

由于其高性能、低功耗和小尺寸的特點(diǎn)，AD9861適用于多種寬帶應(yīng)用，包括但不限于：

• 寬帶接入：如DSL、Cable Modem等高速數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)
• 寬帶局域網(wǎng)（LAN）：支持高速數(shù)據(jù)傳輸和通信
• 通信調(diào)制解調(diào)器：用于各種無(wú)線和有線通信系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)

設(shè)計(jì)考慮

1. 輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)

AD9861的接收路徑模擬輸入具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，將輸入采樣保持放大器（SHA）和第一級(jí)流水線殘差放大器合并為一個(gè)緊湊的開關(guān)電容電路。這種結(jié)構(gòu)在降低噪聲和功耗方面具有優(yōu)勢(shì)，但對(duì)輸入驅(qū)動(dòng)源提出了一定的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮輸入驅(qū)動(dòng)源的能力，確保能夠在半個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)以10位精度對(duì)電容進(jìn)行充電或放電。可以通過在信號(hào)源輸出和VIN引腳之間添加串聯(lián)電阻來(lái)降低對(duì)信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)要求，同時(shí)根據(jù)應(yīng)用帶寬選擇合適的電阻和電容值，以實(shí)現(xiàn)低通濾波和降低交流負(fù)載阻抗的目的。

2. 時(shí)鐘質(zhì)量

高速、高分辨率的ADC對(duì)時(shí)鐘輸入的質(zhì)量非常敏感。時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致SNR下降，特別是在欠采樣應(yīng)用中。因此，建議使用低抖動(dòng)的晶體控制振蕩器作為時(shí)鐘源，并確保時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電源與ADC輸出驅(qū)動(dòng)電源分離，以避免數(shù)字噪聲對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的調(diào)制。此外，當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率超過40 MHz時(shí)，可以啟用時(shí)鐘占空比穩(wěn)定器（DCS）電路，以提供穩(wěn)定的50%占空比時(shí)鐘。

3. 電源管理

AD9861提供了多種電源管理選項(xiàng)，包括獨(dú)立的Rx和Tx功率控制引腳、低功耗ADC模式和TxDAC功率縮放功能。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景合理配置這些電源管理選項(xiàng)，以優(yōu)化功耗。例如，在不需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用功率控制引腳將相應(yīng)路徑置于低功耗模式；在低速采樣時(shí)，可以啟用低功耗ADC模式以降低功耗。

4. 接口配置

AD9861的靈活I(lǐng)/O接口可以通過模式引腳或SPI寄存器進(jìn)行配置。在選擇配置方式時(shí)，需要考慮系統(tǒng)的需求和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。使用SPI寄存器可以提供更多的可編程選項(xiàng)，但需要額外的軟件編程；而使用模式引腳則相對(duì)簡(jiǎn)單，但配置選項(xiàng)有限。在配置接口時(shí)，還需要注意數(shù)據(jù)的傳輸模式（如并行、交錯(cuò)）、時(shí)鐘頻率和時(shí)序要求等因素。

總結(jié)

AD9861是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異的混合信號(hào)前端基帶收發(fā)器，適用于各種寬帶應(yīng)用。它的集成度高、功耗低、尺寸小，為工程師提供了一個(gè)便捷、高效的解決方案。在設(shè)計(jì)過程中，需要充分考慮輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)、時(shí)鐘質(zhì)量、電源管理和接口配置等因素，以確保芯片能夠發(fā)揮最佳性能。希望本文對(duì)大家了解和應(yīng)用AD9861有所幫助。你在使用AD9861的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。