原创 高速DAC AD9712B/AD9713B的原理和应用

 摘要：AD9712B/AD9713B是一款12位的ECL/TTL兼容高速数模转换器，是针对DDS、信号重构、高质量图像信号处理等应用而专门设计的。该芯片具有小的毛刺和快速建立时间，以及良好的动态性能和谐波抑制能力，因而在各种信号产生设备中有着大量的应用。文章介绍了该芯片的结构和原理，同时给出了一个AD9713B在雷达视频信号处理中的应用实例。 关键词：DAC AD9712B/AD9713B 视频信号 在为线性调频的雷达视频目标产生模拟信号的过程中，为了得到高质量的视频模拟信号，其前端通常采用数字信号处理或DSP+FPGA的结构来设计，然后经过数模转换和低通滤波以生成视频目标模拟信号。而后端所选用的数模转换芯片的性能优劣对信号的质量有着极为重要的影响。 AD9712B/AD9713B是AD9712/AD9713的替代产品，为12位高速数模转换器。同AD9712/AD9713相比，该器件具有更好的静态性能和动态特性。其中AD9712B与ECL兼容，更新速率可达10MSPS；而AD9713B则与TTL兼容，更新速率可达80MSPS。由于该D/A转换器是针对DDS、波形重构和高质量图像信号处理等应用而设计的，因此，这两款芯片在动态特性方面表现特别突出，并且具有优良的谐波抑制能力。本文选用AD9713B来输出雷达视频目标模拟信号。1 AD9712B/AD9713B的主要特点 AD9712B的数据输入口D1～D12和使能口LATCH ENABLE与ECL兼容，内部ECL参考节点也与10K ECL器件相匹配。而在AD9713B中，每个输入口均加进了TTL转换单元。除这点以外，AD9712B和AD9713B是完全相同。AD9712B/AD9713B的主要特性如下：●具有100MSPS的更新速率；●与ECL/TTL兼容；●无杂散动态范围SFDR为70dBc(1MHz)；●毛刺电压低至28Pv-s；●建立时间快（27ns）；●低功耗：725mW；●1/2LSB DNL (B Grade)；●具有40 MHz乘积带宽。2 AD9712B/AD9713B的结构功能 图1为AD9712B/AD9713B的内部结构框图，由图可见，该芯片主要由解码/驱动电路、传输锁存器、开关网络、可调放大器四个子模块构成。此外，其片内包含的内部电压参考源也进一步减少了外围接口器件的数量。 AD9712B/AD9713B高速数模转换器利用MSB（Most Significant Bit）解码和分割技术来减少毛刺，并可获得12位的线性特性。D1～D4被解码后可用来驱动15个离散的电流源，D5和D6已经过二进制量化，D7～D12用于R-2R电阻网络。这种分段结构可减少因为毛刺引起的频率误差。 AD9712B/AD9713B的内部参考源可提供1.18V的参考电压，而其开关网络则用于提供互补的输出电流IOUT和IOUT。两款器件均采用28脚DIP和PLCC封装形式。现将各引脚的功能说明如下：D1～D12:12Bits数字信号输入脚；DIGITAL-Vs:-5.2V数字电源输入端；ANALOG RETURN：模拟地反馈，通常接地；IOUT:模拟电流输出，满量程时对应全‘1'输入；ANALOG - Vs:- 5.2V模拟电源输入端；IOUT：互补模拟电源输出端，0幅值输出时对应全‘1'输入；REFERENCE IN：通常接到CONTROL AMP OUT端口，该引脚上的电压变化对满量程输出值有着直接的影响；CONTROL AMP OUT：内部可调放大器输出，用于给电流开关网络提供一个偿驱动输出；CONTROL AMP IN：在没有接外部参考源时，通常接到REFERENCE OUT脚；REFERENCE OUT：内部参考电压（-1.18V），通常接到CONTROL OUT脚；REFERENCE GROUND：内部参考电压源和放大器的返回地；DIGITAL+Vs:+5V数字电压输入端； RSET：外部阻抗参考，当采用内部放大器时，满量程电流输出为128（Reference Voltage/Rset）该脚的外接电阻通常取7.5kΩ；LATCH ENABLE：数据传输使能口，低电平有效；DIGITAL GROUND：数字地。3 AD9712B/AD9713B的应用 AD9712B/AD9713B主要用于ATE、信号重构、任意波形产生、数字频率综合、信号产生等设备中。下面以AD9713B在某线性调频雷达视频目标模拟信号产生单元中的应用为例，介绍该芯片在实际应用中的电路设计方法。3.1 AD9713B的外围电路设计 该设计要求输出六路相位相同的雷达视频目标模拟信号，分别为：同相和支路、同相方位差支路、同相俯仰差支路、正交和支路、正交方位差支路、正交俯仰差支路。这六条支路的电路结构完全相同，因而可以借结构的对称性保证各支路间相位的一致。下面以同相和支路为例说明该芯片的应用。 在同相和支路中，前端DSP+FPGA的输出数据被送入DAC芯片AD9713B，数据的采样速率为60MHz。AD9713B的输出模拟信号为+1.5V的脉冲信号。AD9713B的典型应用电路如图2所示。 为了获得12位的线性精度和较高的更新速率，可在模拟电源和数字电源端加上一个0.1μF和一个0.01μF的滤波电容，并在电路板上单独为并行结构的六片DAC留出一个地层，所有的地连同参考电压源和模拟输出器件的地都应直接连到这个地层上。DAC的地层则应在频率较高处的某一点被连接到系统地上。 图2电路利用了AD9713B的内部参考源，设计时可将REFERENCE PUT（Pin 20）引脚接到AMP IN（Pin 19）脚，再将AMP OUT（Pin 18）通过一个20Ω的电阻接到REFERENCE IN（Pin17）脚，0.1μF的瓷片电容接在17脚和15脚之间，可用来消除切换噪声。满量程电流输出是由VCONTROL AMP IN 和RSET决定的，公式如下：IOUT(FS)=128(VCONTROL AMP IN/RSET)如果内部参考电压VCONTROL AMP IN为-1.18V，RSET为7.5kΩ，则输出电压VOUT为1.51V。 3.2 DAC输出端低通滤波器的选取 为了在AD9713B的输出端获得较高的信号质量，还应滤除输出信号中的镜像信号分量。如要求数据采样速率为60MHz，假设雷达视频目标模拟信号的频带为0～8MHz，则AD9713B输出信号的频带（包含有镜像分量）将为（60M*k-8M）Hz～（60M*k）Hz和（60M*k）Hz～（60M*k+8M）Hz,其中k=0、1、2、3、4……所以，设计时应选用合适的低通滤波器件来滤除镜像信号。 确定雷达视频目标模拟信号的频带范围是选取低通滤波器件的关键。本文运用Matlab6.5软件对雷达视频目标模拟信号进行了仿真分析。仿真结果如图3所示。 由仿真结果要以看出，本设计中，雷达视频目标模拟信号的频带范围大约为0～10MHz，距离最近的镜像信号出现在50～60 MHz频率处。所以，选取3dB通带为10.7MHz的低通滤波器就可以很好地将镜像信号滤除。4 总结 本文介绍的高速数模转换芯片AD9712B/AD9713B适应于信号重建、波形产生和频率综合等对数模转换器要求较高的应用场合。根据需要可以选取差分输出或单端输出，也可以选用外部参考源或内部参考源，而且满量程输出电流可调。实际应用表明，配合适当的低通滤波器件，该芯片可以输出较高质量的模拟信号。