一文了解交錯(cuò)式ADC(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)

今天我們將圍繞交錯(cuò)式 ADC 轉(zhuǎn)換器展開。當(dāng) ADC 轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)時(shí)，兩個(gè)或多個(gè)具有定義的時(shí)鐘關(guān)系的 ADC 轉(zhuǎn)換器用于同時(shí)對輸入信號進(jìn)行采樣并產(chǎn)生組合輸出信號，從而導(dǎo)致采樣帶寬為多個(gè)單獨(dú)的 ADC 轉(zhuǎn)換器。

交錯(cuò)式 ADC 轉(zhuǎn)換器無疑是推動(dòng)更高效接口的一部分。交錯(cuò)式 ADC 轉(zhuǎn)換器為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了多項(xiàng)優(yōu)勢。然而，額外的轉(zhuǎn)換器帶寬帶來了大量需要在 FPGA 或 ASIC 中處理的數(shù)據(jù)。必須有一些有效的方法來處理來自轉(zhuǎn)換器的所有數(shù)據(jù)。在采樣率在千兆采樣范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換器中繼續(xù)使用 LVDS 接口變得不切實(shí)際。因此，JESD204B 是將大量數(shù)據(jù)從轉(zhuǎn)換器獲取到 FPGA 或 ASIC 的一種很好、高效的方法。

讓我們花點(diǎn)時(shí)間離開界面，看一下交錯(cuò)。在通信基礎(chǔ)設(shè)施中，除了對 DPD（數(shù)字預(yù)失真）等線性化技術(shù)的更寬帶寬要求之外，還不斷推動(dòng)更高采樣率的 ADC 以支持多頻段、多載波無線電。在軍事和航空航天領(lǐng)域，更高采樣率的 ADC 支持多用途系統(tǒng)，可用于通信、電子監(jiān)控和雷達(dá)等等。在工業(yè)儀器儀表中，對更高采樣率 ADC 的需求一直在增加，以便能夠準(zhǔn)確測量更高速度的信號。讓我們從了解交錯(cuò)式 ADC 的基礎(chǔ)知識開始討論。

使用m?個(gè) ADC 可以將有效采樣率提高 m倍?。為了簡單易懂，我們只關(guān)注兩個(gè)ADC的情況。在這種情況下，如果兩個(gè)采樣率均為 f?S的 ADC 交錯(cuò)放置，則最終采樣率僅為 2f?S。這兩個(gè) ADC 必須具有時(shí)鐘相位關(guān)系才能正確交錯(cuò)。時(shí)鐘相位關(guān)系由等式 1 控制，其中n?是特定的 ADC，m?是 ADC 的總數(shù)。

例如，兩個(gè)采樣率為 250MSPS 的 ADC 交錯(cuò)以實(shí)現(xiàn) 500MSPS 的采樣率。在這種情況下，可以使用等式 1 推導(dǎo)兩個(gè) ADC 的時(shí)鐘相位關(guān)系，并由等式 2 和 3 給出。

既然我們知道了時(shí)鐘相位關(guān)系，就可以檢查樣本的構(gòu)造了。圖 1 直觀地表示了兩個(gè) 250MSPS 交錯(cuò)式 ADC 的時(shí)鐘相位關(guān)系和示例結(jié)構(gòu)。

圖1

兩個(gè)交錯(cuò)式 250MSPS ADC——基本圖

請注意 180° 時(shí)鐘相位關(guān)系以及樣本是如何交錯(cuò)的。輸入波形由兩個(gè) ADC 交替采樣。在這種情況下，交織是通過使用除以二的 500MHz 時(shí)鐘輸入來實(shí)現(xiàn)的。分頻器負(fù)責(zé)將所需的時(shí)鐘相位發(fā)送到每個(gè) ADC。

這個(gè)概念的另一種表示如圖 2 所示。

圖 2

兩個(gè)交錯(cuò)式 ADC——時(shí)鐘和采樣

通過交錯(cuò)使用這兩個(gè) 250MSPS ADC，采樣率提高到 500MSPS。這將轉(zhuǎn)換器奈奎斯特區(qū)的寬度從 125MHz 擴(kuò)展到 250MHz，使工作可用帶寬加倍。增加的操作帶寬帶來了許多優(yōu)勢。無線電系統(tǒng)可以增加支持的頻段數(shù)量；雷達(dá)系統(tǒng)可以提高空間分辨率，測量設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)更大的模擬輸入帶寬。

還有一些關(guān)于可以交錯(cuò)多少個(gè)轉(zhuǎn)換器的問題，所以我想我會(huì)簡要介紹一下。還有一些關(guān)于交錯(cuò) ADC 挑戰(zhàn)的問題。在我們看一看之前，讓我們討論一些好處。

交錯(cuò)的好處跨越市場的多個(gè)部分。最理想的好處是交錯(cuò)式 ADC 的更寬奈奎斯特區(qū)可以增加帶寬。我們將再次以兩個(gè) 500MSPS ADC 交錯(cuò)創(chuàng)建 1000MSPS 采樣率為例。這是交錯(cuò)兩個(gè) ADC 所允許的更寬帶寬的表示。請注意，f?S?顯示的是一個(gè)轉(zhuǎn)換器；交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器采樣率為 2 X f?S。

兩個(gè)交錯(cuò)的 ADC — 奈奎斯特區(qū)。

這為許多不同的應(yīng)用創(chuàng)造了優(yōu)勢。許多設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)要求天生就領(lǐng)先于商業(yè) ADC 技術(shù)。無論 ADC 采樣率有多高，市場似乎都需要更快的速率。交織允許關(guān)閉一些這種差距。軍事和航空航天應(yīng)用正在推動(dòng)更高的帶寬以實(shí)現(xiàn)更好的空間識別。此外，后端通信需要增加信道帶寬。

隨著蜂窩標(biāo)準(zhǔn)增加信道帶寬和工作頻段的數(shù)量，對 ADC 中可用帶寬的要求也越來越高。在某些市場和應(yīng)用中，還希望轉(zhuǎn)向直接 RF 采樣，這樣無線電設(shè)計(jì)的級數(shù)就會(huì)更少，并且可以去掉解調(diào)器。在 ADC 上具有足夠高的采樣率也開啟了放寬時(shí)鐘要求的可能性。對齊 ADC 和 DAC 時(shí)鐘以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為可能。在儀器儀表和測量應(yīng)用中，需要更高的帶寬來采集和測量信號。

增加的采樣率為這些應(yīng)用程序提供了更多的帶寬。它允許更輕松的頻率規(guī)劃，并降低了通常用于 ADC 輸入的抗混疊濾波器的復(fù)雜性和成本。

有了所有這些巨大的好處，人們不得不對價(jià)格感到疑惑。與大多數(shù)事情一樣，天下沒有免費(fèi)的午餐。交錯(cuò)式 ADC 提供更高的帶寬和其他好處，但也帶來了一些挑戰(zhàn)。

我們可以將多少個(gè)轉(zhuǎn)換器放在一起？讓我們簡單了解一下交錯(cuò)式 ADC 的時(shí)鐘要求。您可能還記得我上一篇博客中的等式：

當(dāng)m等于 2 時(shí)，求解這個(gè)方程非常容易?。然而，當(dāng)m等于 8 時(shí)，時(shí)鐘要求變得更加困難?。代入m?并求解八個(gè)轉(zhuǎn)換器的方程式可得到所需的時(shí)鐘相位 0、45、90、135、180、225、270 和 315 度。如果輸入時(shí)鐘頻率較低，那似乎還不算太糟糕，但交錯(cuò)的全部意義在于實(shí)現(xiàn)高采樣率。

時(shí)鐘頻率的實(shí)際情況是 1GHz。這意味著時(shí)鐘電路必須能夠?qū)⑤斎霑r(shí)鐘向下分頻并創(chuàng)建相隔 125ps 的相位，而且必須準(zhǔn)確地做到這一點(diǎn)。時(shí)鐘上的任何錯(cuò)誤或抖動(dòng)都會(huì)降低性能。

還有其他事情需要考慮。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)放置時(shí)，各個(gè)轉(zhuǎn)換器之間會(huì)出現(xiàn)不匹配。我們還必須考慮轉(zhuǎn)換器的模擬輸入帶寬。如何處理這些不匹配？我們?nèi)绾翁幚砟M輸入帶寬？

彩?蛋來了

從基礎(chǔ)到高級的ADC講座，將涵蓋高速ADC設(shè)計(jì)的原理、傳統(tǒng)架構(gòu)和最先進(jìn)的設(shè)計(jì)。第一部分首先回顧了ADC的基本知識，包括采樣、開關(guān)電容和量化理論。接下來，介紹了經(jīng)典ADC架構(gòu)的基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)實(shí)例，如閃存、SAR和流水線ADC。然后，本教程將對混合型ADC架構(gòu)進(jìn)行總體概述，這就結(jié)束了第一部分。在第二部分，首先描述了ADC的度量。然后，介紹混合或非混合架構(gòu)的各種先進(jìn)設(shè)計(jì)。該教程最后將以數(shù)字輔助解決技術(shù)結(jié)束。

審核編輯：湯梓紅