ADC模擬電路皇冠上的明珠（2）

一、28nm工藝下的ADC

隨著無線通信向高速、寬帶方向發(fā)展，對于無線信號接收機提出了越來越高的要求。特別是在電子戰(zhàn)領域、信號情報偵察應用方向對于高帶寬、小型化、輕型化以及低功率（Size, Weight and Power: SWaP）ADC的需求更加迫切。65nm制程的ADC在向更高速的、高帶寬的數據變換器擴展的時候遇到了一些固有的障礙：工藝制程、帶寬限制等方面。28nm的先進工藝制程正在打破這個界限，從而使得原本一些無法考慮實現的接收機的架構或者性能得到很大的促進。接下來我們就從幾個角度來看看28nm的ADC具有哪些應用的優(yōu)勢。

在寬帶的雷達電子戰(zhàn)領域中，系統(tǒng)的研發(fā)人員在設計高性能、低SWaP的接收機的時候會面臨很多挑戰(zhàn)。在接收機中ADC扮演了一個非常重要的角色，以至于有時候會因為ADC的性能而采用不同的接收機架構。ADC的性能參數包括了采樣率、帶寬、分辨率，都會影響射頻RF鏈路以及后端的DSP。高采樣率和帶寬能夠一次性捕捉分析寬帶的RF信號，同時降低掃描時間、保持更高分辨率，能夠提高分析的性能，降低虛警概率。

28nm的晶體管能夠降低寄生的柵極電容，實現更快的開關速度，同時僅需要很低的功率來驅動即可。28nm的工藝不僅能夠提高單個晶體管的性能，同時能夠在單位面積上集成更多的晶體管以獲得更優(yōu)異的信號處理能力。28nm工藝下實現的高采樣率ADC在電子戰(zhàn)方向中的信號情報偵察、電子戰(zhàn)防御（Electronic Protect：EP）、電子戰(zhàn)支援（ElectronicSupport：ES）應用需求十分迫切。

采用28nm的工藝，同時也帶給了半導體廠商更多的設計思路。能夠在ADC中集成更多的混合信號處理單元以保證在同等的SWaP條件下提高ADC的性能。例如NCO（Numerically Controlled Oscillators：數控振蕩器，其作用類似于本振源，提供一個混頻信號）和DDC（Digital Downconverters：數字下變頻器，其作用是將高頻信號在數字域進行下變頻，降低頻率以便于后續(xù)處理）。

在提高了采樣率和帶寬之后面臨著有大量的數據吞吐（GSPS），在研發(fā)過程中就需要找到能夠與之相匹配的數據接口傳輸數據。目前市場上很多28nm的ADC數據輸出速率已經超過了10Gbps，采用的接口通常為JESD204B，但是引入由串行和解串路由Gbps帶來的JESD相關電路布局、信號完整性分析方面的問題，進一步提升設計研發(fā)的難度?？梢酝ㄟ^集成NCO、DDC實現降采樣，變換到基帶，結合數字濾波能夠保持很高速的數據輸出速率。所以集成NCO、DDC以實現降采樣是保持高速數據的有效方法。另外一方面，如果JESD204B輸出的數據沒有經過降采樣，一直維持在非常高速的傳輸下，所需要的功率、產生的功耗將會非常大。因此，采用抽取濾波的方式能夠降低功耗。

總的來說，在電子戰(zhàn)領域對于集成了NCO、DDC的高速的、高帶寬、高分辨率的ADC的應用能夠極大的提升接收機的性能，先進工藝制程的ADC能夠有效的解決低SWaP與高速數據之間的矛盾關系，為實現高性能的接收機提供了有效的解決方案。

二、ADC芯片的工藝方案

在ADC方向上，CMOS工藝已經成為一種主流的工藝實現方式。CMOS工藝具有較低的寄生電容、電感以及電阻效應，是Δ-Σ、SAR以及Pipeline架構（基于開關電容型的電路）的ADC的主要實現工藝。

BiCMOS的工藝成本較高，在一些性能要求較高的模擬前端需要使用。例如混頻器、采樣保持電路、輸入放大器以及高精度參考電壓都利用雙極型實現的，其他的功能電路利用CMOS實現。

GaAs在ADC方面的應用主要在6-8bit，采樣率大于1G的flash架構中使用。這一類的ADC通常成本、功率都比較高，但是市場較為小。

三、ADC對接收機系統(tǒng)架構的影響

接收機按照不同的RF信號變頻處理方式可以分為三種：超外差式、直接RF采樣、直接下變頻（零中頻）。

1.超外差接收機

RF信號通過與本振信號混頻后變到中頻IF，在進行后入處理。超外差式接收機應用的時間早、架構較為成熟、性能表現穩(wěn)定。通常會采用較高的IF頻率結合濾波器來抑制鏡像頻率干擾，或者通過多級下變頻器逐級變頻實現鏡頻抑制。

同架構圖中可以看出來，超外差接收機的架構較為復雜。通常需要很大的驅動功率以及電路布局才能夠獲得較合適的工作帶寬，與現在系統(tǒng)對低SWaP的需求相違背。

2. 超外差接收機

直接RF采樣是市場和研發(fā)人員一直在追求的接收機架構。目前主要的障礙在直接射頻采樣的速度、大輸入帶寬與ADC的速率之間不匹配的問題。這也是限制這類架構向更高頻段發(fā)展的重要原因。

目前主要應用還是集中在較高的奈奎斯特頻段（采樣率與信號頻率之間的關系）的L/S波段的接收機中。下一步隨著ADC的發(fā)展，將會逐步向C-band，X-band擴展。

3. 零中頻

零中頻是對數據變換帶寬利用效率最高的架構。ADC通常工作在第一奈奎斯特采樣區(qū)間。信號通過與正交的本振信號混頻過后形成兩路I/Q正交信號，然后分別進行ADC。

主要的難點在于保持較好的I/Q信號的平衡，以獲得較好的鏡像抑制、本振泄露以及直流偏移等。目前通過集成整個零中頻信號鏈路并結合數字校準技術已經解決了這些問題，進一步打開了該類型接收機的應用市場，在多種應用場合已經逐步采用這種類型的接收機。

以超外差結構為例，介紹ADC對其架構的影響。通常在低速的ADC時代，因為工作帶寬與輸入頻率的比例很大，使得通過單級下變頻直接做低頻濾波較為困難，很多微波接收機通常都是采用多級變頻的模式。

圖片來源：ADI官網

隨著ADC的采樣率、輸入帶寬的提高，使得單級變頻架構逐步進入應用。典型的框架如下圖所示：

圖片來源：ADI官網

接收鏈路最開始是一個低噪放，但是在有些特定的應用領域，例如面對大功率電子對抗設備會在前端加載一個限幅器降低輸入功率的幅度。隨后經過帶通濾波、放大、低通濾波、下變頻、低通濾波、放大，在進入ADC之前需要做一個抗混疊濾波，濾除掉一些干擾、雜散以及諧波信號。信號進入ADC進行數據變換，后續(xù)的電路都是圍繞著ADC進行設計的。

有沒有必要在每一種接收機或者設備中都采用高速、高精度的ADC？這是需要結合具體的應用場景來討論的。當面對的是寬帶、高速的信號，典型的就是電子電子對抗、大數據量通信、頻譜測試測量等，高速的ADC就顯得必不可少。從系統(tǒng)架構方面來看，能夠有效降低系統(tǒng)復雜程度；從性能方面來說，能夠提高高吞吐量的數據采集變換。同時結合不同的接收機架構，在面對射頻直采和零中頻的應用，高性能的ADC的需求更加迫切，大帶寬、高采樣率等特點有助于研發(fā)人員采用緊湊的系統(tǒng)架構；超外差結構中，高性能的ADC也能夠在一定程度上降低系統(tǒng)的復雜程度，但是如果需要考慮到性價比、成本方面的問題，如果能夠采用成本較低的多級變頻的方案+性能適合的ADC來實現也是一種方案。

綜上，考慮到架構性價比、成本、性能優(yōu)勢以及復雜程度，雖然不是每一種接收機架構都需要用到高速、高分辨率的ADC，但是高速的ADC能夠極大的降低接收機的架構復雜度、提高性能，這也正式復合了系統(tǒng)朝著低SWaP方向發(fā)展的技術和應用趨勢。

四、ADC中的NCO和DDC如何工作的

首先我們先來回答幾個問題。

• 為什么要做降采樣？

降采樣，顧名思義，降低采樣率。為什么要做降采樣，那是因為之前用了采樣率過高的ADC。那為啥不直接用低采樣率的ADC就可以了嗎？

用高速的ADC，個人覺得主要原因如下：

第一、因為接收和采集的信號是寬帶、高速的信號，需要采集的信號往往是一些寬帶的信號，必要時候還需要在一個很寬的頻段內進行掃頻。所以為了實現匹配，采用高速的ADC是必備的。

第二、可以降低對射頻前端模擬濾波器的要求。濾波器的設計難點在于盡量需要一個很好的矩形系數，又希望只采用幾階就能夠實現，這之間就存在trade-off的設計。模擬濾波器通帶越窄、帶外衰減越陡峭、衰減越大，需要的濾波器階數就越多，濾波器的設計成本就越高，有時甚至無法研制出來。所以采用寬帶的濾波器結合逐級濾波，進來的信號量也就很大，就需要用到高速的ADC了。

為什么又需要再后面降低采樣率呢？主要是因為ADC過后，需要將數據傳輸到后續(xù)的DSP、FPGA等基帶數字信號處理電路進行分析處理，這中間存在一個速率匹配的問題。高速的ADC不經過降采樣出來的信號速率通常很高，DSP的時鐘速率是無法跟上的，所以需要經過降采樣處理。第二，ADC的數據輸出接口如果一直保持在很高的數據傳輸速率下，其需要驅動的功率就很高，功耗也提高，芯片的功耗、散熱是一個非常大的問題。

• 為什么是先濾波、再降采樣而不是先降采樣再濾波？

在信號與系統(tǒng)中表述過，時域離散對應頻域周期、時域連續(xù)對應頻域離散。（信號與系統(tǒng)第三章和第四章）。直觀的就是時域上的周期方波通過傅里葉變換成為了頻域上的Sinc函數，如下圖。

圖片來源：《信號與系統(tǒng)》

假設，輸入信號如下左邊是時域，右邊是頻域：

圖片來源：《信號與系統(tǒng)》

經過ADC采樣之后，時域和頻域分別變成如下，時域離散對應頻域周期。

圖片來源：《信號與系統(tǒng)》

降采樣過程實際上是在對AD采樣之后的數據進行抽取濾波，即是間隔一定的數量進行抽過去采樣，如下圖所示左所示。這個過程可以看作是對已經在頻域上周期了的信號又做了一次周期，結果如下圖右邊所示。此時的信號在頻域上面已經發(fā)生了混疊。

所以，需要在采樣之后濾波，然后再進行降采樣，就可以得到沒有混疊的信號。

回到NCO和DDC。NCO：Numerical ControlOscillator，數控振蕩器，集成在DDC中，用于為輸入信號分成I/Q信號提供本振混頻。

DDC：Digital Downconverters，數字下變頻器，進行降采樣工作。

圖片來源：ADI官網

信號經過采樣之后進入DDC，首先通過NCO，與NCO提供的兩路相位相差90°的信號進行混頻，從一個較高頻率變換到較低頻率；然后通過濾波器進行抽過去濾波；接著選擇性的是否進行一個放大；最后輸出兩路I/Q信號。

圖片來源：ADI官網

DDC中的濾波器一般來說采用級聯(lián)方式首先的，分為三級，按照順序分別是梳狀濾波器（CIC），第二級半帶濾波器（HBF），第三級有限沖激響應濾波器（FIR）。

CIC是一種不需要進行乘除法運算的濾波器，只需要加減法和移位運算就可以。乘法運算是一種非常耗費資源的運算，因為實際上在數字計算中本質上是沒有乘法運算的，還是通過加減法結合移位運算進行的。乘法運算實質上是一堆加減法+移位運算的集合。在提出CIC之前都是直接用乘法運算進行一級濾波的，成本很高，同時運算速率有限。采用了CIC能夠很好的將高頻速率降低，同時修復帶內平坦度，為后面兩級濾波設計降低了難度。

HBF作為第二級濾波器，運算量是FIR的一半。

FIR低通濾波器，它的作用是對經過抽取濾波后的波形進行整形，因為經過抽取濾波之后，仍然會有一部分波形處于有效頻帶之外，故需要低通濾波器將這部分帶外波形除去，剩下帶內的信號提供給后端的 DSP 處理。