8位1.0GSPS ADC芯片MXT2001原理与应用

　　引言

　　高速模数转换器(ADC)被广泛运用在高速测试设备，高速雷达，卫星接收机，高速成像系统，高速存储设备等领域，作为模拟信号与数字信号的接口发挥着重要的作用。目前，随着我国信息化技术的不断深入，主流的电子产品加速由MHz频段向GHz频段推进，迫切需要采样率为1GSPS以上的高速采样ADC，以满足不断提高的系统速度和实时采样要求。但是，高速ADC是典型的高端混合信号电路，其研发和生产的难度较大，成为制约高速电子系统的瓶颈技术。基于这样的背景，北京时代民芯科技有限公司研发了双通道8位1GSPS通用型超高速ADC芯片，型号为MXT2001，为国内首款8位1GSPS ADC产品，推动了国内高速数据采集产业的深入发展。

　　芯片介绍

　　MXT2001是一款双通道，低功耗，高性能的CMOS模数转换器，其采样精度为8位，单通道采样率高达1.25GSPS，采用单电源1.8V供电，典型功耗为1.58W。它采用高速模-数转换电路以及数字自校准技术，保证器件的高速度和高动态特性。器件内部集成串行SPI接口，支持用户控制、改变电路参数，以优化电路性能和满足系统要求。

　　MXT2001具有双通道结构，每个通道的最大输入带宽(FPBW)高达1.6GHz；采用双通道“双沿采样(DES)”模式时，典型采样率为2.0GSPS，采样速率最高可达2.5GSPS；采用LQFP144封装，1.8V单电源供电；具有自校准功能，实施上电自动校准并支持用户随时启用一键(CAL引脚)校准；可通过普通方式或扩展方式对其进行控制，可工作在SDR，DDR等多种模式下。在扩展方式下，用户可对芯片电路参数进行修改，改变输入范围，采样保持电路参数和进行精度优化等，以满足系统应用的要求。

　　MXT2001芯片性能卓越，典型情况下可提供7.0位以上的有效位数(ENOB)。为了方便用户捕捉输出数据，该芯片采用低压差分电路(LVDS)进行数据传输，两通道输出的二进制编码数据分别经由1：2信号分离器(DEMUX)后，输出为4路8位并行500Msps LVDS数据流，输出数据率降低至只有采样率的一半，方便后级电路的数据接收。在普通模式下，I/Q通道分别获得1.0GSPS数据输出速度，在双沿采样(DES)模式下，I/Q通道交错工作，可获得典型2.0GSPS/高达2.5GSPS的采样速率。

　　MXT2001的基本原理

　　芯片基本原理

　　MXT2001芯片的原理框图如1所示，为全CMOS结构的双通道8位1.0GSPS模数转换器，由两路独立的转换通道(I/Q)组成，每通道均集成高性能宽带采样保持电路和模数信号预处理电路，信号电路的最大输入带宽(FPBW)为1.6GHz。I/Q通道的信号输出为二进制编码，分别经1：2信号分离器后，输出4路8位500Msps的LVDS信号，方便接收存储器的信号捕捉。I/Q通道共用时钟及参考源，其中输入时钟为1GHz频率，经片上时钟模块移相后分别控制I/Q通道的时序。输出LVDS信号共34对，除32对数据输出外，还包括1对输出同步时钟(DCLK)和1对输入范围溢出指示信号(OR)。

　　MXT2001芯片集成了数字校准电路，自动对电路参数进行预设，保证动态精度有效性。芯片提供用户编程接口，支持高级用户对芯片配置的在线修改。

　　芯片封装结构

　　MXT2001芯片采用144脚LQFP封装，如图2所示。其管脚说明如下：

　　(1)OUTV/SCLK：输出电压幅度和串行接口时钟。为高电平时，表示正常差分输出数据幅度，为低电平时，表示降低差分输出幅度和降低功耗。当扩展控制模式被激活，SCLK作为串行数据的输入时钟。

　　(2)OUTEDGE/DDR/SDIN：DCLK边沿选择，双数据速率(DDR)和串行数据串行输入。当输出数据转换时，此引脚设定DCLKp的输出边缘。当引脚浮空或连接到1/2电源电压时，使能DDR时钟。在扩展控制模式下，此引脚作为串行数据输入端(SDIN)。

　　(3)RESET：复位。当引脚输入正脉冲用于复位和同步多个转换器的时序DCLK。

　　(4)PD/PDQ：低功耗掉电模式。PD引脚为高电平时，芯片进入低功耗掉电模式。当PDQ引脚接高电平时，只有Q通道进入低功耗掉电模式。

　　(5)CAL：校准模式启动信号。最低80个时钟周期的逻辑低电平输入之后紧随80个时钟周期的逻辑高电平输入，将激发电路进入自动校准模式。

　　(6)FSR/ECE：全量程选择以及扩展控制模式选择，在非扩展控制模式，逻辑低电平会把全量程差分输入范围(峰峰值)设置为650mV；逻辑高电平会把全量程差分输入范围(峰峰值)设置为870mV。当此脚连接到1/2电源电压或者悬空时，进入扩展控制模式。

　　(7)CLKp/CLKn：ADC的LVDS时钟输入。这个差分时钟信号必须是交流耦合的。输入信号将在CLKp的下降沿被采样。

　　(8)VINIp/VINIn/VINQp/VINQn：ADC的模拟输入脚。

　　(9)CalFlag：校准运行指示。高电平有效。

　　(10)DI/DQ/DId/DQd：I通道和Q通道的LVDS数据输出。

　　(11)ORp/ORn：输入溢出指示。

　　(12)DCLKp/DCLKn：差分时钟输出，用于锁存输出数据。这些引脚可以选择延时或不延时以便输出同步，在单倍数据率SDR模式下，这些信号的速度为输入时钟的1/2，在双倍数据率DDR模式下，这些信号的速度为输入时钟的1/4。在校准周期内DCLK不被激活。

　　MXT2001的应用

　　MXT2001模数转换器可用于单/双通道的高速数据采集系统中，图3为该芯片工作于双通道采样模式下的典型应用原理图，外部I/Q双通道数据经此芯片进行模数转换，并通过LVDS接口电路输出并存储到FPGA芯片中。

　　MXT2001的管脚1至管脚36为输入管脚，其简化连接关系如图3所示。电路的典型工作条件为电源电压1.8V，时钟输入频率为1.0GHz，REXT脚接精度为0.1%，阻值为3.3kΩ的电阻，此电阻值将辅助设定芯片内部基准电流，应保证足够的精度(精度最好不要低于1%)。

　　该ADC的模拟信号输入(包括时钟输入和I/Q路信号输入)，推荐采用差分输入而不是单端输入，这对系统的性能影响很大。如果被采样输入信号是单端信号，可以预先通过单/双端变换电路，将单端信号变成差分信号。采用BALUN(非平衡变压器，如型号ETC1-1-13)或者采用平衡电桥电路均可实现单端输入到双端输入的信号变换。

　　MXT2001输出的二进制编码数据为4路8位500Msps LVDS信号，可并行输入到FPGA芯片并转换成编码数字信号，转存在FPGA的FIFO存储体中，方便信号读取。采用的FPGA芯片可选择Xilinx公司的Virtex-4/Virtex-5系列产品，这类芯片的I/O管脚采用了片上同步(Chip-Sync)技术，便于高速采集数据的信号捕捉。

　　结束语

　　该款双通道8位1GSPS的ADC芯片MXT2001具有高速、高精度、低功耗、多通道的特点，具有优异的动态性能，可以广泛用于各种实时性要求特别高的军民用电子系统和测试设备中，为射频信号接收器，高速雷达，卫星机顶盒，通信系统，数字示波器，测试设备等高精尖设备提供关键器件。

　　蔡伟 杨松 谭博 北京时代民芯科技有限公司