AD9273：一款高性能8通道集成芯片的深度剖析

在電子設計領域，對于高性能、多功能且低功耗的芯片需求日益增長。AD9273作為一款集成了8通道LNA、VGA、AAF和ADC以及交叉點開關的芯片，以其卓越的性能和豐富的功能，在醫(yī)療成像、汽車雷達等領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。本文將深入剖析AD9273的產品特性、工作原理以及應用要點，為電子工程師在設計過程中提供有價值的參考。

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產品特性概覽

集成度高

AD9273集成了8通道的低噪聲放大器（LNA）、可變增益放大器（VGA）、抗混疊濾波器（AAF）和12位模數(shù)轉換器（ADC），還包含一個8×8差分交叉點開關。這種高度集成的設計不僅節(jié)省了電路板空間，還減少了外部元件的使用，降低了設計的復雜度。

低噪聲性能

LNA具有出色的噪聲性能，在增益為21.3 dB、5 MHz時，折合到輸入端的噪聲電壓典型值為1.26 nV/√Hz。這使得芯片在處理弱信號時能夠保持較高的信噪比，為后續(xù)的信號處理提供了良好的基礎。

可編程增益

LNA的SPI可編程增益有15.6 dB、17.9 dB、21.3 dB三種選擇，VGA的衰減器范圍為 -42 dB至0 dB，PGA增益有21 dB、24 dB、27 dB、30 dB可選。這種靈活的增益設置可以滿足不同應用場景下對信號放大的需求。

寬帶寬

LNA的帶寬（BW）大于100 MHz，能夠處理較寬頻率范圍的信號，適用于多種信號處理場景。

低功耗

在12位/40 MSPS（TGC）時，每通道功耗為109 mW；在連續(xù)波多普勒模式下，每通道功耗為70 mW。同時，芯片還具備靈活的省電模式，可根據(jù)實際需求降低功耗，延長便攜式設備的電池使用時間。

快速恢復能力

過載恢復時間小于10 ns，可從低功耗待機模式快速恢復，恢復時間小于2 μs，能夠快速響應信號變化，適應不同的工作狀態(tài)。

工作原理詳解

超聲應用原理

AD9273主要應用于醫(yī)用超聲領域。在超聲系統(tǒng)中，超聲信號的衰減與距離（時間）呈指數(shù)關系，因此需要進行時間增益控制（TGC）補償。AD9273的線性dB可變增益放大器能夠很好地滿足這一需求。信號經TGC放大器后立即轉換為數(shù)字格式，然后進行數(shù)字波束形成。12位50 MSPS采樣ADC可同時滿足通用型和高端系統(tǒng)的要求，對于低端和便攜式超聲設備，其低功耗和低成本的特點也能很好地滿足需求。

通道概述

每個通道包含TGC信號路徑和CW多普勒信號路徑。LNA為兩個信號路徑提供用戶可調的輸入阻抗端接，CW多普勒路徑包含一個跨導放大器和一個交叉點開關，TGC路徑包括差分X - AMP? VGA、抗混疊濾波器和ADC。信號路徑為全差分路徑，能夠實現(xiàn)最大信號擺幅，并減少偶數(shù)階失真，但LNA為單端信號源驅動。

低噪聲放大器（LNA）

LNA是信號鏈的前端，其超低噪聲性能對于整個系統(tǒng)至關重要。它通過有源阻抗控制實現(xiàn)最佳噪聲性能，支持最高4.4 V p - p差分輸出電壓，差分增益可設定飽和前的最大輸入信號。增益可通過SPI設置，過載保護能確保從大輸入電壓狀態(tài)下快速恢復。同時，采用全差動拓撲和負反饋，可將失真減至最低，低二次諧波失真在二次諧波超聲成像應用中尤為重要。

有源阻抗匹配

LNA內置單端電壓增益放大器，具有差分輸出端，通過連接反饋電阻可實現(xiàn)有源輸入端。輸入阻抗可通過公式計算，用戶可根據(jù)需要調整反饋電阻值以實現(xiàn)特定的輸入阻抗匹配。在不同的增益設置下，推薦了相應的反饋電阻和電容值，以確保最佳的匹配效果。

LNA噪聲

短路噪聲電壓（折合到輸入端噪聲）是系統(tǒng)性能的重要限制因素。在增益為21.3 dB時，LNA折合到輸入的短路噪聲電壓為1.4 nV/√Hz。不同的輸入配置（無端接、阻性端接、有源端接匹配）會對噪聲系數(shù)產生影響，當源電阻與輸入阻抗匹配時，噪聲系數(shù)最低。

輸入過驅與過載保護

在超聲系統(tǒng)中，出色的過載表現(xiàn)非常重要。LNA和VGA都內置過驅保護，能在過載事件后快速恢復。建議在輸入端前進行電壓鉗位，以防止高瞬態(tài)電壓對芯片造成損壞。增加二極管后，±0.5 V或更低的鉗位電平可顯著提高系統(tǒng)的過載性能。

CW多普勒操作

AD9273集成前端元件用于實現(xiàn)CW多普勒操作的模擬波束成形。這些元件允許相位相近的CW通道以相干方式組合，然后進行相位對齊和向下混頻操作，減少所需的延遲線路或可調節(jié)相移/向下混頻器的數(shù)目。LNA可直接驅動AD8333或AD8339，無需交叉點開關。

TGC運行

TGC信號路徑為全差動路徑，增益值以單端LNA輸入至差分ADC輸入為基準。系統(tǒng)增益分配包括LNA、衰減器、VGA放大器、濾波器和模數(shù)轉換器等部分。TGC路徑的線性dB增益范圍為42 dB，增益控制接口的斜度為28 dB/V，增益控制范圍為 - 0.8 V至 + 0.8 V。不同的LNA和VGA增益設置會影響敏感度和動態(tài)范圍之間的權衡。

可變增益放大器（VGA）

X - AMP差分VGA提供精確輸入衰減和插值，具有6 nV/√Hz低折合到輸入端噪聲和出色的增益線性。其輸入為14級差分電阻梯，總增益范圍是42 dB。增益控制接口GAIN±為差分輸入端，通過插值器選擇連接到輸入衰減器的適當輸入級，可改變所有VGA的增益。增益控制響應時間小于750 ns。

抗混疊濾波器（AAF）

抗混疊濾波器由單極點高通濾波器和二階低通濾波器組合而成，可通過SPI進行配置。高通濾波器可配置為與低通濾波器截止頻率成一定比例關系，截止頻率可通過SPI調整至8 MHz至18 MHz范圍。調諧電路可通過SPI啟用和禁用，建議在空閑時間偶爾重新調整，以補償溫度漂移。

模數(shù)轉換器（ADC）

AD9273采用流水線式ADC架構，各級的量化輸出組合在一起，在數(shù)字校正邏輯中形成一個12位轉換結果。輸出級模塊能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)對準、錯誤校正，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵鼍彌_器，然后將數(shù)據(jù)串行化，使其與幀和輸出時鐘對齊。

時鐘輸入與功耗管理

時鐘輸入考慮

為充分發(fā)揮芯片性能，應利用差分信號作為AD9273采樣時鐘輸入端（CLK +和CLK -）的時鐘信號?？赏ㄟ^變壓器或電容器交流耦合到CLK +和CLK -引腳內，這兩個引腳有內部偏置，無需其它偏置。芯片內置占空比穩(wěn)定器（DCS），可對非采樣邊沿進行重新定時，提供標稱占空比為50%的內部時鐘信號，使時鐘輸入占空比范圍更寬，且不影響芯片性能。

功耗和省電模式

AD9273的功耗與其采樣速率成比例關系，數(shù)字功耗變化不大。芯片具有可調整LNA偏置電流特性，可通過SPI設置不同的偏置電流。將PDWN引腳置位高電平，可使芯片進入省電模式，典型功耗為2 mW；將STBY引腳置位高電平，可使芯片進入待機模式，典型功耗為140 mW。在待機模式下，內部PLL可處于通電狀態(tài)，以實現(xiàn)較短的喚醒時間。

數(shù)字輸出與SPI接口

數(shù)字輸出和時序

采用默認設置上電時，AD9273差分輸出符合ANSI - 644 LVDS標準，可通過SDIO引腳或SPI接口將其更改為低功耗、減少信號選項。LVDS輸出便于與具有LVDS能力的定制ASIC和FPGA中的LVDS接收器連接，推薦使用單一點到點網絡拓撲結構，并將100 Ω端接電阻盡可能靠近接收器放置。輸出數(shù)據(jù)格式默認為偏移二進制，可通過SPI更改。芯片還提供2個輸出時鐘（DCO±和FCO±），用于數(shù)據(jù)定時和指示新輸出字節(jié)的開始。

串行端口接口（SPI）

AD9273串口允許用戶利用芯片內部的結構化寄存器空間來配置信號鏈，以滿足特定功能和操作的需要。通過SPI可訪問地址空間，對地址空間進行讀寫。定義SPI的是三個引腳：SCLK、SDIO和CSB引腳。CSB的下降沿與SCLK的上升沿共同決定幀序列的開始，可配置SPI端口以不同的方式操作，數(shù)據(jù)可以MSB優(yōu)先或LSB優(yōu)先的模式進行發(fā)送。

應用要點與建議

電源和接地建議

連接電源時，建議使用兩個獨立的1.8 V電源，一個用于模擬（AVDD），一個用于數(shù)字（DRVDD）。若僅提供1.8 V電源，應先連接到AVDD1，然后分接出來，用鐵氧體磁珠或濾波扼流圈及去耦電容隔離，再連接到DRVDD。應針對所有電源使用多個去耦電容，放置在接近PCB入口點和接近器件的位置處，縮短走線長度。芯片僅需要一個PCB接地層，合理的去耦和分隔可獲得最佳性能。

裸露焊盤散熱塊建議

為獲得最佳的電氣性能和熱性能，必須將器件底部的裸露焊盤連接至低噪聲模擬地（AGND）。PCB上裸露的連續(xù)銅層應與AD9273的裸露焊盤（引腳0）匹配，銅層上應有多個過孔，以獲得盡可能低的熱阻路徑進行散熱。

總結

AD9273以其高集成度、低噪聲、可編程增益、低功耗等優(yōu)點，為電子工程師在設計醫(yī)療成像、汽車雷達等系統(tǒng)時提供了一個優(yōu)秀的解決方案。在實際應用中，需要根據(jù)具體的需求合理配置芯片的各項參數(shù)，注意時鐘輸入、功耗管理、數(shù)字輸出和SPI接口等方面的要點，同時遵循電源和接地建議以及裸露焊盤散熱塊建議，以確保芯片能夠發(fā)揮最佳性能。你在使用AD9273的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？你是如何解決的？歡迎在評論區(qū)分享你的經驗。