PCB設(shè)計(jì)中采用時(shí)間交替超高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的解析

采用時(shí)間交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），以每秒數(shù)十億次的速度采集同步采樣模擬信號(hào)，對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)極大的技術(shù)挑戰(zhàn)，需要非常完善的混合信號(hào)電路。時(shí)間交替的根本目標(biāo)是通過(guò)增加轉(zhuǎn)換器，在不影響分辨率和動(dòng)態(tài)性能的前提下使采樣頻率增倍。
　　本文探討時(shí)間交替模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)難點(diǎn)，并提供切實(shí)可行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)，包括可解決上述問(wèn)題的創(chuàng)新性元件功能和設(shè)計(jì)方法。本文還提供從7Gsps雙轉(zhuǎn)換器芯片“交替解決方案”測(cè)得的FFT結(jié)果。最后，文章還描述了實(shí)現(xiàn)高性能所需的應(yīng)用支持電路，包括時(shí)鐘源和驅(qū)動(dòng)放大器。
　　對(duì)更高采樣速度的需求不斷增加
　　何時(shí)提高采樣頻率會(huì)更加有益，其中的原因又是什么呢？這個(gè)問(wèn)題有多種答案。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速度基本上直接決定了可以在一個(gè)采樣瞬間進(jìn)行數(shù)字化的瞬時(shí)帶寬。尼奎斯特和香農(nóng)采樣定理證明了最大可用采樣帶寬（BW）相當(dāng)于采樣頻率Fs的一半。
　　3GSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了在一次采樣期內(nèi)采集1.5GHz模擬信號(hào)頻譜。如果采樣速度翻倍，尼奎斯特帶寬也倍增至3GHz.通過(guò)時(shí)間交替實(shí)現(xiàn)采樣帶寬倍增對(duì)于很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)都是有益的。例如，無(wú)線電收發(fā)器架構(gòu)可以增加信息信號(hào)載波數(shù)，從而增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出量。采樣頻率倍增還可以提高采用飛行時(shí)間（TOF）原理的LIDAR測(cè)量系統(tǒng)的分辨率。實(shí)際上，通過(guò)縮短有效采樣期可以降低飛行時(shí)間測(cè)量值的不確定性。
　　數(shù)字示波器還需要高采樣頻率Fs/輸入頻率FIN比值，以準(zhǔn)確采集復(fù)合模擬或數(shù)字信號(hào)。要采集輸入頻率的諧波部分，就要求采樣頻率必須是輸入頻率（最大值）的倍數(shù)。例如，如果示波器采樣頻率不夠高，且更高階諧波位于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的尼奎斯特帶寬外，方形波將顯示為正弦形。
　　圖1說(shuō)明了示波器前端雙倍采樣頻率的益處。6GSPS采樣波形是采樣模擬輸入更準(zhǔn)確的表示形式。很多其他測(cè)試儀器系統(tǒng)（例如質(zhì)譜儀和伽馬射線望遠(yuǎn)鏡）依靠較高的過(guò)采樣/FIN進(jìn)行脈沖波形測(cè)量。
　　
　　圖1：以3GSPS和6GSPS采樣的247.77MHz信號(hào)的時(shí)域值圖。
　　增加采樣頻率還具有其他優(yōu)點(diǎn)。過(guò)采樣信號(hào)還實(shí)現(xiàn)了通過(guò)數(shù)字濾波在數(shù)字域改善增益的特點(diǎn)。實(shí)際上，模數(shù)轉(zhuǎn)換器噪聲底可在更大輸出帶寬上擴(kuò)散。倍增固定輸入帶寬的采樣率在動(dòng)態(tài)范圍使噪聲改善了3dB.采樣頻率每倍增一次，將為動(dòng)態(tài)范圍提供一個(gè)附加3dB.
　　時(shí)間交替技術(shù)的難點(diǎn)
　　時(shí)間交替的主要難點(diǎn)是通道間采樣時(shí)鐘邊沿的精確校準(zhǔn)和IC間固有變化的補(bǔ)償。精確匹配各單獨(dú)模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器間的增益、偏移和時(shí)鐘相位是一項(xiàng)很大的挑戰(zhàn)，主要因?yàn)檫@些參數(shù)都取決于頻率。除非能夠?qū)崿F(xiàn)這些參數(shù)的精確匹配，否則動(dòng)態(tài)性能和分辨率將會(huì)降低。