В настоящее время компания Analog Devices Inc. (ADI) выпускает обширную номенклатуру преобразователей данных самого различного назначения. Кроме АЦП и ЦАП в каталогах компании представлены и другие виды преобразователей: понижающие (DDC) и повышающие (DUC) преобразователи частоты, цифровые счётчики электроэнергии, цифровые модуляторы, интегрированные датчики температуры, контроллеры резистивных сенсорных экранов, преобразователи данных сельсинов и др.
Многие современные преобразователи данных, разработанные компанией после 2007 г., интегрированы в сложные многофункциональные микросхемы, ориентированные на применение в специализированных приложениях. Например, различные АЦП могут быть встроены в микросхемы и модули на основе МЭМС-датчиков. Номенклатура собственно самих преобразователей данных ADI насчитывает сотни типов ИС. В каталоге компании 2016 г. преобразователи данных представлены в следующих категориях продуктов: АЦП, ЦАП, аудио/видео-ИС, специализированные ИС (ASIC).
Для удобства выбора продукты в каталоге разделены на группы и подгруппы. В категорию АЦП включены 555 типов микросхем (данные на сентябрь 2016 г.), разделённые на три группы.
- быстродействующие АЦП (скорость преобразования более 10 Мвы-борок/с);
- прецизионные АЦП (менее 10 Мвы-борок/с);
- специального назначения (в эту группу фактически включены все продукты категории АЦП, а их разделение на подгруппы сделано по назначению микросхем [1]).
Быстродействующие АЦП
В группу быстродействующих АЦП включено 239 типов ИС. Быстродействующие АЦП представлены и в других категориях продуктов компании. В частности, преобразователи данных аэрокосмического и военного назначения следует искать в категории специализированных ИС [2].
Значительное число быстродействующих АЦП нацелено на работу с низкой полосой частот и обеспечивает скорость преобразования от 10 до 125 Мвыборок/с. Эти микросхемы обеспечивают наилучшее среди устройств своего класса отношение сигнал/шум и динамический диапазон, свободный от побочных составляющих (SFDR). Число каналов в них может варьироваться от одного до восьми, а разрешение – от 8 до 16 разрядов. Такие ИС покрывают широкий спектр потребностей при проектировании приёмников различного назначения и обеспечивают широкий выбор при реализации самых различных задач. Рассмотрим особенности ряда микросхем этой функциональной группы более подробно.
AD9265/AD9255 (редакции спецификаций Rev. C, 2009 г.) – 16/14-разрядные АЦП, обеспечивающие скорость преобразования 80 Мвыборок/с (AD9265BCPZ-80/AD9255BCPZ-80), 105 Мвыборок/с (AD9265BCPZ-105/AD9255BCPZ-105) и 125 Мвыборок/с (AD9265BCPZ-125/AD9255BCPZ-125) при напряжении питания 1,8 В. Структура этих ИС одинакова (см. рис. 1). Для получения полного качества преобразования на микросхемы достаточно подать лишь напряжение питания (1,8 В) и тактовый сигнал выборки, совместимый с КМОП или LVDS. Во многих задачах не требуется применение внешних драйверов и источников опорного напряжения.
Для более низких скоростей преобразования (20/40/65/80 Мвыборок/с) предназначены 14-разрядные АЦП AD9649 (Rev. A, 2009 г.). Они пришли на смену аналогичным приборам разработки 2005–2006 гг. (AD9446/AD9460/AD9461) и отличаются от них большей функциональностью и улучшенными характеристиками. Основные области применения микросхем: многорежимные цифровые приёмники различных стандартов (GSM, EDGE, W-CDMA, LTE, WiMAX и др.), интеллектуальные антенные системы, измерительные приборы с батарейным питанием, портативные медицинские приборы визуальной диагностики, ультразвуковое оборудование, радары/лидары, широкополосные преобразователи данных. В качестве примера на рисунке 2 приведена блок-схема анализатора спектра ВЧ-сигналов, в тракте которого могут быть применены данные АЦП.
В 2015 г. компания выпустила двухканальный 16-разрадный АЦП AD9655 с напряжением питания 1,8 В и скоростью преобразования 125 Мвыборок/с (см. рис. 3).
ИС характеризуется малыми габаритами и простотой применения. АЦП микросхемы выполняют автоматическое умножение тактовой частоты выборки для получения желаемой частоты последовательного интерфейса LVDS. Типовое потребление этой ИС в экономичном режиме не превышает 2 мВт. Микросхема поддерживает работу с цифровыми тестовыми шаблонами, включая детерминированные и псевдослучайные шаблоны, а также пользовательские шаблоны, загружаемые через интерфейс SPI. Чип упакован в корпус LFCSP-32 размерами 5 × 5 × 0,75 мм, меньший, чем рассмотренные одноканальные АЦП AD9265/55 (корпус LFCSP-48 (7 × 7 × 0,85 мм)). Основные особенности и параметры микросхемы таковы (в скобках даны отличающиеся параметры AD9265BCPZ-125):
- отношение сигнал/шум SNR = 77,5 дБFS (79 дБFS) на частоте fвх = 70 МГц и полном размахе входного сигнала UFS = 2 В;
- динамический диапазон, свободный от искажений SFDR = 88 дБн (89 дБн) на частоте 70 МГц;
- линейность DNL = ±0,7 LSB (±0,6 LSB), INL = ±3,4 LSB (±1,5 LSB) при размахе входного сигнала 2,8 В;
- полоса пропускания аналогового тракта 500 МГц (650 МГц);
- диапазон рабочих температур –40...+85°С.
Ряд быстродействующих АЦП ADI обеспечивает скорость преобразования от 125 Мвыборок/с до 1 Гвыборок/с. Они оптимизированы для поддержания высокого отношения сигнал/шум и широкого динамического диапазона, свободного от побочных составляющих. Микросхемы этой функциональной группы также содержат дополнительные блоки обработки сигнала для обеспечения наилучшего динамического диапазона в полосе Найквиста. Рассмотрим их особенности.
AD9234 (Rev. A, 2014 г.) – сдвоенные 12-разрядные АЦП, обеспечивающие скорость преобразования 500 Мвыборок/с (AD9234-500), 1 Гвыборок/с (AD9234-1000) и поддержку новой версии стандарта JESD204B (подкласс 1). Эта версия стандарта, разработанная комитетом JEDEC в 2011 г., описывает высокоскоростной последовательный интерфейс для связи ПЛИС и микропроцессоров с современными микросхемами АЦП и ЦАП. Этот интерфейс применяется во многих системах, использующих высокоскоростные преобразователи данных, в том числе, в РЛС, в сотовой связи, программно-определяемых радиосистемах, в медицинском диагностическом оборудовании и др. Применение стандарта JESD204B позволяет существенно упростить процесс проектирования печатных плат для перечисленных систем [3].
Микросхемы AD9234 (см. рис. 4) отличаются высокой линейностью, малым энергопотреблением, компактностью (корпус LFCSP-64 (9 × 9 × 0,75 мм)) и оптимизированы для работы в широкой полосе частот с высокими частотами дискретизации. Ядра АЦП имеют многоступенчатую дифференциальную конвейерную архитектуру с коррекцией ошибок интегрированной выходной логики. Каждый АЦП имеет широкополосный входной буфер и выбираемый пользователем диапазон входных сигналов. Ряд устанавливаемых пользователем функций ИС упрощают работу систем АРУ приёмников связи. Программируемые пороговые детекторы позволяют контролировать передаваемую мощность сигнала, избегая перегрузок. Интегрированный блок мониторинга обеспечивает дополнительную информацию об оцифрованном сигнале. Управление режимами питания микросхем задаётся пользователем через интерфейс SPI. Основные области применения этих ИС:
- цифровые приёмники 3G/4G, TD-SCDMA, W-CDMA, GSM, LTE;
- радиосистемы точка-точка;
- сверхширокополосные спутниковые ресиверы;
- широкополосные измерительные приборы;
- цифровые осциллографы;
- высокоскоростные системы сбора данных и др.
- Основные параметры микросхем:
- отношение сигнал/шум SNR = 63,4 дБFS на частоте 340 МГц (при уровне –1 дБFS / 1 Гвыборок/с), 65,6 дБFS (–1 дБFS / 500 Мвыборок/с);
- SFDR = 79 дБFS (340 МГц / 1 Гвы-борок/с), 86 дБFS (340 МГц / 500 Мвы-борок/с);
- линейность DNL = ±0,16 LSB, INL = ±0,35 LSB;
- полоса пропускания аналогового тракта 2 ГГц;
- диапазон рабочих температур –40...+85°С.
В 2015 г. компания представила одинарные 14-разрядные АЦП AD9690, обеспечивающие скорость преобразования 500 Мвыборок/с (AD9690-500) и 1 Гвыборок/с (AD9690-1000). Их структура аналогична AD9234, но они имеют один дифференциальный вход. Микросхемы также поддерживают интерфейс JESD204B. Отличающиеся параметры: SNR = 65,3 дБFS, SFDR = 85 дБFS, DNL = ±0,5 LSB, INL = ±2,5 LSB. Микросхемы выполнены в таком же корпусе (LFCSP-64).
В многочисленной группе быстродействующих АЦП, кроме упомянутых, представлены микросхемы самого различного назначения разработки (1998–2015 гг.). Рассмотрим особенности некоторых инновационных ИС, разработанных после 2007 г.
AD9467 (Rev. D, 2010 г.) – 16-разрядные АЦП, обеспечивающие скорость преобразования 200 Мвыборок/с (AD9467BCPZ-200) или 250 Мвыборок/с (AD9467BCPZ-250) и выполненные в корпусах LFCSP-72 размерами 10 × 10 × 0,85 мм. Микросхемы отличаются высокими динамическим диапазоном (SFDR = 92 дБFS) и линейностью (DNL = ±0,5 LSB). Напряжение питания составляет 1,8 В и 3,3 В, размах выходных LVDS-сигналов – от 2 В до 2,5 В. Структура микросхемы приведена на рисунке 5.
Микросхемы могут быть использованы в традиционных для быстродействующих АЦП приложениях. В качестве примера рассмотрим их применение в высокопроизводительных широкополосных приёмниках. Один из вариантов электрической принципиальной схемы входного блока (Front End) приёмника приведён на рисунке 6.
В состав блока входят: сверхмалошумящий широкополосный усилитель ADL5562 (ADI), АЦП AD9467BCPZ-250 и фильтр защиты от наложения спектров (Antialiasing Filter), представляющий собой фильтр Баттерворта третьего порядка с частотой среза 152 МГц. Основные параметры блока: неравномерность в полосе пропускания 6–125 МГц не более 1 дБ, SFDR = 82,2 дБн (на частоте 120 МГц), отношение сигнал/шум SNR = 72,2 дБFS, уровень второй/третьей гармоник Н2/Н3 = 86,6 дБн / 82,2 дБн, общий коэффициент усиления составляет 3,9 дБ на частоте 10 МГц, допустимый входной уровень сигнала равен 6 дБм.
AD9484 (Rev. A, 2011 г.), AD9434 (Rev. B, 2011 г.) – 8- и 12-разрядные АЦП с производительностью 500 Мвыборок/с, схемой выборки-хранения, выходным интерфейсом LVDS и напряжением питания 1,8 В (см. рис. 7). Микросхемы выполнены в корпусах LFCSP-56 размерами 8 × 8 × 0,85 мм, совместимы по выводам между собой и с 12-разрядным АЦП AD9230. Основные параметры AD9484/AD9434: SNR = 47/65 дБFS (fвх = 250 МГц), SFDR = 79/78 дБн (500 Мвыборок/с), DNL = ±0,1/0,5 LSB, INL = ±0,1/0,6 LSB, полоса пропускания аналоговых трактов – 1 ГГц.
AD9250 (Rev. B, 2012 г.) – двухканальные 14-разрядные АЦП со скоростью преобразования 170 Мвыборок/с (AD9250-170) или 250 Мвыборок/с (AD9250-250) и выходным интерфейсом JESD204B (см. рис. 8). Эти АЦП стали одними из первых успешных приборов с интерфейсом JESD204B для связи с высокопроизводительными ПЛИС, за что были награждены дипломом победителя Best Electronic Design Award 2012 медиаресурса Electronic Design в категории приборов смешанных и аналоговых сигналов [4].
В 2015 г. компания Altera представила набор средств поддержки интерфейса JESD204B на основе своих ПЛИС и АЦП AD9250. Набор предназначен для разработок, применяющих стандарт JESD204B обеспечения совместимости с высокопроизводительными АЦП и позволяет значительно сократить время проектирования систем. В состав комплекта входят плата Arria V GT FPGA Development Kit с двумя ПЛИС (FPGA1, FPGA2 (см. рис. 9)) и плата Arria V SoC Development Kit с оценочным модулем AD9250-FMC-250EBZ (см. рис. 10). Структурная схема реализации интерфейса JEDS204B на основе платы Arria и АЦП AD9250 приведена на рисунке 11 [5].
AD9625 (Rev. B, 2014 г.) – 12-разрядные АЦП с внутренней выборкой, работающие со скоростями преобразования до 2,6 Гвыборок/с и предназначенные для оцифровки широкополосных аналоговых сигналов в полосе частот вплоть до второй зоны Найквиста. Микросхемы могут использоваться в анализаторах спектра, системах сбора данных, радиолокационных системах, системах радиоэлектронной борьбы и разведки, а также во многих других ответственных приложениях. Входы аналогового сигнала и опорного напряжения (SYSREF ±) являются дифференциальными, а высокоскоростной интерфейс вывода данных JESD204B может работать в различных конфигурациях с 1/2/4/6/8 линиями данных (см. рис. 12).
Основные особенности и параметры микросхемы:
- высокое качество преобразования с большим динамическим диапазоном в проектах с высокой частотой дискретизации и непосредственной дискретизацией радиосигналов;
- скорость преобразования 2 млрд выборок/с (AD9625-2.0), 2,5 Гвыбо-рок/с (AD9625-2.5), 2,6 Гвыборок/с (AD9625-2.6);
- точный интегрированный источник опорного напряжения;
- конфигурируемый интерфейс вывода данных формата JESD204B;
- порт SPI для управления различными функциями и параметрами микросхем, включая формат данных, данные калибровки коэффициента усиления и смещения;
- динамический диапазон SFDR от 77 дБн на частоте 1800 МГц до 80 дБн на частоте 100 МГц;
- отношение сигнал/шум и уровень искажений (SINAD) порядка 56–58 дБн в диапазоне 100–1800 МГц;
- полоса пропускания аналогового тракта 3,2 ГГц;
- диапазон рабочих температур –40...+85°С;
- корпус BGA BP-196-2 размерами 12 × 12 × 1,59 мм.
Для этих АЦП компания Altera также разработала набор средств поддержки интерфейса JESD204B (см. рис. 13).
Литература
- www.analog.com/ru/products/analog-to-digital-converters/ad-converters.html.
- www.analog.com/ru/products/application-specific/militaryaerospace/aerospace.html.
- www.analog.com/en/applications/landing-pages/001/jesd204-serial-interface-jedec-standard-data-conver....
- www.electronicdesign.com/content/electronic-design-announces-2012-best-electronic-design-award-winne....
- www.altera.com/en_US/pdfs/literature/an/altera_jesd204b_ad9250_hw_chkout_report.pdf.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
