基于Xilinx K7-410T的高速DAC之AD9129开发笔记

引言：从本文开始，我们介绍下项目中设计的并行LVDS高速DAC接口设计，包括DAC与FPGA硬件接口设计、软件设计等。项目设计高速DAC采用了ADI公司的AD9129，该芯片最大更新速率5.7Gsps，该芯片在宽带通信应用、LTE、雷达信号产生、干扰机等领域有广泛应用。

1. AD9129概述

AD9129是高性能14位RF数模转换器(DAC)，支持最高达2.85GSPS的数据速率。DAC内核基于一个四通道开关结构，使双边沿时钟能够有效运行，配置为混频模式(Mix-Mode)或2倍插值时，能将DAC更新速率提高至5.7GSPS。在混频模式中，AD9129可在二阶和三阶奈奎斯特区内重构RF载波，同时仍保持高达4.2GHz的出色动态范围。其高性NMOS DAC内核具有四通道开关结构，能以最小输出功耗实现业界领先的直接RF频率合成性能。输出电流可以在9.5mA至34.4mA范围内进行编程。

图1：AD9129系统框图

2.AD9129接口描述

图2：AD9129管脚分布

如图1所示，AD9129接口主要分为与主机FPGA互联的控制接口（包括SPI接口、复位等）和LVDS源同步数据接口，参考电压接口，DAC时钟接口（包括DCO_x、DACCLK_x）以，DAC模拟输出接口以及供电接口（图1中未标出）。

2.1控制接口

AD9129控制接口包括SPI接口、复位接口。SPI接口包括四个信号：SCLK、CSn、SDO、SDIO，通过该接口可以实现DAC内部寄存器的配置。SPI接口支持MSB(最高有效位)优先和LSB(最低有效位)优先传输格式。AD9129串行接口端口可以配置为单I/O引脚(SDIO)，或者配置为两个单向输入/输出引脚(SDIO和SDO)。SCLK最大工作时钟为20MHz。

复位信号RESET为高电平复位，如果未使用此管脚，需接地处理。SPI及RESET接口电平为1.8V IO。

2.2 LVDS源同步数据接口

AD9129数据输入接口为LVDS源同步数据接口，包含源同步时钟DCI、两组数据接口P0_D和P1_D，分辨率为14bits。LVDS接口电平为1.8V，典型输入阻抗为100Ω。

AD9129与FPGA之间的接口关系如下图所示。

图3：AD9129与FPGA之间的接口关系

2.3参考电压VREF接口

AD9129输出电流由数字控制位和I250U基准电流共同设置，如图下图所示。

图4：基准电压源电路

将VREF施加于I250U(引脚A1)与VSSA之间的4.0 kΩ外部电阻，便可获得基准电流。1.0 V标称参考电压(VREF)在4.0 kΩ电阻中产生250 µA基准电流。配置基准电压电路应注意以下几点限制：
• 为使器件正常工作，4.0 kΩ电阻和1 nF旁路电容均是必需的。
• 将DAC输出满量程电流IOUTFS调整为默认设置20 mA以外的值时，应以数字方式执行。
• AD9129不是乘法DAC，不支持用交流信号对基准电流I250U进行调制。
• VREF引脚上的带隙电压必须缓冲才能用于外部电路，因为其输出阻抗约为7.5 kΩ。
• 可以将一个外部基准源连接到VREF引脚，以过载内部基准源。

2.4时钟接口

DAC时钟接口包括DAC工作时钟DACCLK_x和DCO_x时钟。DACCLK_x时钟用于设置DAC的更新速率，还路由至时钟分配模块以产生所有关键的内部和外部时钟DCO_x。DCO_x=1/4*DACCLK_x。DCO时钟与DCI时钟频率相同，以建立同步操作，如图3所示。

图5：DACCLK_x时钟输入

DACCLK_x输入连接到一个高频PLL以确保DAC采样时钟可靠地锁定输入时钟。PLL默认使能，上电后即锁定。

图6：DACCLK_x输入的可能信号链

DACCLK_x输入的峰峰值电压为0.25~2V，典型值为1V，共模电压为1.25V。DACCLK_x输入时钟频率范围为1.4G~2.85GHz。

DCO_x时钟输出时钟阻抗100Ω，最大时钟712.5MHz，输出电压为1.025~1.375V,共模电压为1.25V。

DACCLK_x差分时钟可以接受正弦信号；如果输入信号电平保持在0dBm以上，则NSD(噪声谱密度)性能降低可忽略不计。−5dBm输入时，性能降低+1dB；当信号接近−10dBm时，性能进一步降低，达到+2dB。时钟接收器之后有一个占空比恢复器(DCR)，用于确保后续电路的占空比接近50%。DCR的输出用作主时钟，直接路由至DAC。此外时钟源的质量是保持最佳交流性能的重要考虑因素，可从三方面来定义：相位噪声特性、抖动和驱动能力。

2.5模拟输出接口

AD9129提供互补电流输出IOUTP和IOUTN，吸收外部负载的电流，外部负载由1.8 V VDDA电源供电。

2.5.1峰值DAC输出功率能力

差分电流输出DAC的最大峰值功率能力取决于峰值差分交流电流IPEAK和等效负载电阻。对于具有50 Ω源端接电阻的1:1巴伦，DAC交流电流源的等效负载为25 Ω。如果AD9129设置IOUTFS = 20 mA，则其峰值交流电流为9.375 mA，提供给等效负载的峰值功率为2.2 mW(即P = I2R)。由于1:1巴伦的源电阻和负载电阻相等，因而此功率由二者均分。所以，输出负载获得1.1 mW或0.4 dBm的峰值功率。

要计算提供给负载的均方根功率，需考虑以下事项：
• 数字波形的峰值与均方根之比
• 相对于数字满量程的任何数字倒退
• DAC sinc响应和外部网络中的非理想损耗

2.5.2输出级配置

AD9129设计用于需要宽信号重构带宽或高IF/RF信号产生的高动态范围系统。最佳交流性能只有在以下情况下才能实现：DAC输出配置为差分(即平衡)工作模式，输出共模电压偏置到稳定的低噪声1.8 V标称模拟电源(VDDA)。用于与DAC接口的输出网络应提供接近0 Ω的直流偏置路径以连接到VDDA。在整个频率范围内，IOUTP和IOUTN引脚之间的任何输出阻抗不平衡都会降低失真性能(主要是偶数阶失真)和噪声性能。元件选择和布局对于实现AD9129的潜在性能至关重要。大多数要求平衡到不平衡转换且工作频率为10 MHz到1 GHz的应用，都可以利用Mini-Circuits JTX系列变压器，它可提供2:1和1:1的阻抗比。

图7：宽带应用的推荐变压器，带宽上限高达2.2 GHz

图7显示AD9129与JTX-2-10T变压器接口。此变压器可提供出色的幅度/相位平衡(<1 dB/1°，最高1 GHz)，通过提供0 Ω直流偏置路径以连接VDDA。如果需要滤除DAC镜像和时钟成分，可在单端侧应用一个模拟LC滤波器，其好处是可以保持变压器的平衡。

图8：DAC输出与自偏置差分增益级接

图8显示了将DAC输出与自偏置差分增益模块接口时可以考虑的接口。电感(L)用作RF扼流圈，提供直流偏置路径以连接到VDDA。其值与隔直电容一起决定复合通带响应的截止频率下限。(隔直电容与RF差分增益级的输入电阻一起形成高通响应。)

许多RF差分放大器由两个增益匹配的单端放大器组成，因而无法提供共模抑制，而且由于匹配不佳，还可能降低平衡。此外，由于元件容差，差分LC滤波器可能会进一步降低差分信号路径的平衡。两种情况下，使用巴伦均非常有利，可在滤波或进一步放大之前，抑制RF DAC的共模失真和噪声成分。

图9：建议混频模式配置，提供扩展的RF带宽，采用TC1-1-13M+巴伦

对于在混频模式下使用AD9129且输出频率超过2.2 GHz的应用，用户可以考虑图9所示的电路。此电路采用宽带巴伦(例如4.0 GHz时为−3 dB)来为DAC输出提供直流偏置路径，其配置与图7所示范例相似。此电路是在评估板上实现，结果如图10所示。

图10：实测与理想DAC输出响应，fDAC = 2.6 GSPS

2.6电源接口

AD9129电源分为模拟电源和数字电源，整个芯片最大功耗在1.1W左右。

模拟电源VSSA=-1.5V，Imax=54mA;

模拟电源VDDA=1.8V，Imax=230mA；

数字电源VDD=1.8V，Imax=336mA。

3.小结

本文简单介绍了AD9129的基础知识，包括芯片的重要特性，外部接口相关的信号特性等。下一篇我们重点介绍下项目中FPGA与AD9129互联的原理图设计，包括LVDS IO接口设计、时钟电路以及供电设计。

审核编辑：汤梓红