1、ADC和DAC链路设计原理及指标计算 2014.2.18目录 一、概述 二、ADC链路设计 三、ADC的常用指标 四、DAC链路设计 五、DAC的常用指标 六、ADC和DAC的指标计算一、 概述ADC和DAC是数字和模拟接口，是了解分析模拟世界的重要工具。在通信领域，它们将射频信号转换为更容易处理的数字信号，经过算法处理后再转换成射频信号发射出去，完成通信。我们部门的设备通常将射频信号转换为中频信号，然后经过ADC转换为数字信号进行处理，然后送入到DAC转换为中频，再上变频为射频。二、ADC链路设计 1、ADC的接口 ADC的接口分为射频接口、时钟接口、数字接口和控制接口。 射频接口：用于接收
2、中频信号，一般采用差分接口。 时钟接口：用于接收芯片的工作时钟；一般有LVDS、LVPECL等差分接口和CMOS接口。 数字接口：用于将ADC转换后的数字信号送入到数字处理芯片中；常用的形式为CMOS、LVDS差分、高速串口； 控制接口：用于控制芯片的工作方式；常用接口为SPI控制接口。二、ADC链路设计 2 、ADC中频接口设计 ADC中频接口接收的是中频信号；其电路为射频电路，故走线及匹配的要求很重要，需注意以下三点； 差分走线要等长处理； 差分信号线的阻抗是指对地阻抗； 射频接口的阻抗要注意匹配。 其中第3点又根据ADC类型的不同，采用的方式不同；根据输入阻抗匹配方式的不同分为两种：缓冲
3、型ADC和非缓冲型ADC； 缓冲型ADC和非缓冲型ADC（开关电容型）的区别在于ADC的输入口是否有一缓冲电路，从而隔离输入电路和采样电路。图1 缓冲型ADC-ADS58C20输入接口图1 非缓冲型ADC-ADS62c17输入接口 缓冲型ADC与非缓冲型ADC的区别 缓冲型ADC的优点比较直接：缓冲器将接口电路和采样电路隔离开来，使得ADC的输入阻抗固定，便于前端的驱动电路阻抗匹配；然而由于缓冲器需要较高的电源电压，使得ADC在功耗、噪声方面会受到影响； 非缓冲型ADC 的驱动电路与采样电路直接相连，这就使得ADC的输入阻抗是变化的，驱动电路设计比较复杂，需要考虑芯片提供的DATASHEET进
4、行设计。其主要构造如图3所示。图3 非缓冲型ADC的输入结构示意图二、ADC链路设计 3 ADC时钟接口 ADC时钟接口的输入阻抗为高阻抗，并且有着缓存，故阻抗不会受后级影响，比较恒定。故在匹配时只需要直接并联上一个100欧姆电阻即可。 不同的电平接口如LVDS和LVPECL接口采用标准的转换电路即可。 对于输入有偏置要求的，需要进行偏置处理。 时钟频率的选择与中频频率有关，其关系式如下所示： 其中f0为中频频率，fs为采样频率，一般情况下n取1和2。二、ADC链路设计 4 数字接口 ADC的数字接口其形式主要有串行和并行两种。 并行接口有差分和单端两种形式。其电路的主要要求为 数据线与时钟线
5、要进行等长处理。差分线之间也要求等长处理。 串行接口为差分的一对线路，该线路的工作速率为几个Gbit/s或几十个Gbit/s，是后续的发展方向。 5 SPI控制接口 SPI控制接口为标准接口，需要注意要对其进行上拉处理，以防驱动不足。三、ADC指标 1、ADC的常用指标 ADC 的常用指标主要有：信噪比（SNR）、无杂散动态范围（SFDR）、采样带宽、采样频率、采样位数、功耗。三、ADC指标 2、ADC指标意义及其计算方法u 信噪比SNR：该指标为信号功率的噪声功率的比值；越大表示噪声的影响越小，ADC的性能越好；其计算公式为： SNR=6.02N+1.74 其中N是指采样位数；该公式计算出的
6、为理论值，实际值要小一些。三、ADC指标u 无杂散动态范围（SFDR）是指信号的均方根值与最差杂散信号(无论它位于频谱中何处)的均方根值之比。 最差杂散可能是原始信号的谐波，也可能不是。 在通信系统中，SFDR是一项重要指标，因为它代表了可以与大干扰信号(阻塞信号)相区别的最小信号值。SFDR可以相对于满量程(dBFS)或实际信号幅度(dBc)来规定。其定义如图4所示。图4、SFDR示意图u采样带宽是指ADC所能采取到信号带宽。其一般计算方式如下： BW=Fs/2 其中Fs为采样频率；该公式是根据奈奎斯特定律得来。 若内部增加了提高性能的滤波器则带宽可能更窄一些，如TI公式的SNRBOOST功
7、功能就是增加了滤波器，其带宽为0.33Fs或0.22Fs。u 功耗也是ADC指标中一个重要项，一般ADC的功耗均值1W以内。 目前ADC的供电电压不断下降（3.3V降为1.8V），功耗也在下降，在设计时需要考虑该指标。四 DAC链路设计1、DAC接口 DAC接口有数字接口、射频接口、时钟接口、SPI接口。2、数字接口 DAC的数字接口主要有两种形式：差分并行和高速串行。 差分接口主要有LVDS、LVPECL等方；而数据的输入形式一般也是以IQ交织的方式（也可是单独方式）；这种方式也是我们目前常用的方式。 由于差分并行的方式需要走很多的线，在PCB布局布线方面很不方便，故产生了高速串行方式。 高
8、速串行接口只需要有一对差分线即可，通信速率可达几个Gbit/s，甚至是几十个Gbit/s；这也是未来的方向，目前TIADI等厂商已开发出相应的产品。 3、射频接口 射频接口根据DAC的类型分为两种：Current Sink(灌电流灌电流)和和Current Source（拉电流）。（拉电流）。 Current Sink是指外界提供驱动形成电流进入到是指外界提供驱动形成电流进入到DAC，与匹配电阻形成电压，从而将信号传输，与匹配电阻形成电压，从而将信号传输出去。出去。 Current Source是指是指DAC输出电流（形同外界将输出电流（形同外界将电流从电流从DAC“拉出拉出”），与匹配电阻形
9、成电压），与匹配电阻形成电压传输出去。传输出去。 DAC的模拟接口主要考虑的是阻抗和共模电压，的模拟接口主要考虑的是阻抗和共模电压，下面根据两种不同的类型对其进行介绍。下面根据两种不同的类型对其进行介绍。图5、Current sink输出电路设计（DC耦合）图6、Current sink的电平转换输出电路设计（DC耦合）图7、Current sink的电平转换输出电路设计（AC耦合）图8、Current source的电平转换输出电路设计（DC耦合）图9、Current source的输出电路设计（AC耦合） 4、时钟接口 DAC的时钟接口有两种：DAC_CLK和REF_CLK。 DAC_CL
10、K一般接收较高的时钟，该时钟不采用内部锁相环可直接用于信号的数模转换，也可用于频率变换。该时钟一般为差分时钟。 REF_CLK一般输入为一个低频参考，然后采用内部锁相环转换为所需要的各种类型时钟。该时钟可为单端CMOS，也可为差分形式。 5、SPI接口 SPI接口与ADC接口一样，是通用的标准接口。五 DAC指标 1、DAC常用指标 DAC的常用指标有：SFDR、IMD、NSD、ACLR、功耗。 2、SFDR是指无杂散动态范围，该指标主要衡量主信号输出的谐波失真、杂散的功率。是信号的关键指标。 3、IMD和ACLR分别衡量窄带和宽带信号经过DAC转换后的失真情况。 4、NSD为噪声功率谱密度该指标主要衡量的是低噪的情况。 5、功耗一般与芯片的使用功能和供电电压有关。六、ADC和DAC指标计算 1、系统整体链路 图10、系统整体链路 2、ADC 和DAC的指标计算中频信号功率计算 P=噪声功率密度计算 NSD=P-1-10*log(fs/2)-SNRADC与DAC的噪声计算 NF=P-1-10*log(fs/2)-SNR-(-174) 3、系统指标计算参考
