超高速模數轉換器

采用時(shí)間交替模數轉換器(ADC)，以每秒數十億次的速度采集同步采樣模擬信號，對于設計工程師來(lái)說(shuō)，這是一項極大的技術(shù)挑戰，需要非常完善的混合信號電路。時(shí)間交替的根本目標是通過(guò)增加轉換器，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)間交替模數轉換器的主要技術(shù)難點(diǎn)，并提供切實(shí)可行的系統設計指導，包括可解決上述問(wèn)題的創(chuàng )新性元件功能和設計方法。本文還提供從7Gsps雙轉換器芯片“交替解決方案”測得的FFT結果。最后，文章還描述了實(shí)現高性能所需的應用支持電路，包括時(shí)鐘源和驅動(dòng)放大器。

對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。模數轉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)行數字化的瞬時(shí)帶寬。尼奎斯特和香農采樣定理證明了最大可用采樣帶寬(BW)相當于采樣頻率Fs的一半。

3GSPS模數轉換器實(shí)現了在一次采樣期內采集1.5GHz模擬信號頻譜。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)現采樣帶寬倍增對于很多應用來(lái)說(shuō)都是有益的。例如，無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器架構可以增加信息信號載波數，從而增加系統數據輸出量。采樣頻率倍增還可以提高采用飛行時(shí)間(TOF)原理的LIDAR測量系統的分辨率。實(shí)際上，通過(guò)縮短有效采樣期可以降低飛行時(shí)間測量值的不確定性。

數字示波器還需要高采樣頻率Fs/輸入頻率FIN比值，以準確采集復合模擬或數字信號。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。例如，如果示波器采樣頻率不夠高，且更高階諧波位于模數轉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確的表示形式。很多其他測試儀器系統（例如質(zhì)譜儀和伽馬射線(xiàn)望遠鏡）依靠較高的過(guò)采樣/FIN進(jìn)行脈沖波形測量。

圖1：以3GSPS和6GSPS采樣的247.77MHz信號的時(shí)域值圖。

增加采樣頻率還具有其他優(yōu)點(diǎn)。過(guò)采樣信號還實(shí)現了通過(guò)數字濾波在數字域改善增益的特點(diǎn)。實(shí)際上，模數轉換器噪聲底可在更大輸出帶寬上擴散。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)鐘邊沿的精確校準和IC間固有變化的補償。精確匹配各單獨模擬數據轉換器間的增益、偏移和時(shí)鐘相位是一項很大的挑戰，主要因為這些參數都取決于頻率。除非能夠實(shí)現這些參數的精確匹配，否則動(dòng)態(tài)性能和分辨率將會(huì )降低。圖2顯示了三個(gè)主要誤差源。

圖2：交替模數轉換器產(chǎn)生的增益、偏移和時(shí)間誤差。

采樣時(shí)鐘相位調整

通常，雙通道交替轉換器系統需要模數轉換器輸入采樣時(shí)鐘的時(shí)間移動(dòng)1/2個(gè)時(shí)鐘周期。但是，ADC083000結構使用芯片內交替，其時(shí)鐘頻率等于采樣率的一半，即3GSPS的時(shí)鐘頻率為1.5GHz。因此，對于采用兩個(gè)ADC083000的雙通道系統，模數轉換器輸入采樣時(shí)鐘邊沿必須移動(dòng)1/4個(gè)時(shí)鐘周期或錯開(kāi)90(。即1.5GHz時(shí)鐘對應于166.67ps。

可以相對準確地計算出對應1/4時(shí)鐘周期相移的時(shí)鐘信號走線(xiàn)長(cháng)度。對于FR4印刷電路板材料，信號以20cm/ns（即50ps為1cm）的速度傳播。例如，如果傳輸到一個(gè)模數轉換器的時(shí)鐘走線(xiàn)比另一個(gè)長(cháng)3cm，這將產(chǎn)生150ps的相移。難點(diǎn)在于精確符合附加的16.67ps時(shí)移。

ADC083000具有集成的時(shí)鐘相位調整功能，使用戶(hù)可以向輸入采樣時(shí)鐘添加延時(shí)，以相對于另一模數轉換器的采樣時(shí)鐘實(shí)現相移?？梢酝ㄟ^(guò)SPI總線(xiàn)，采用兩個(gè)內部寄存器手動(dòng)調整模數轉換器的時(shí)鐘相位。只能沿一個(gè)方向實(shí)現相移，增加延時(shí)。設計工程師應確定兩個(gè)分立模數轉換器中的位置，確定哪一個(gè)“在前”并調整其相位，使其采樣邊沿與另一模數轉換器采樣邊沿呈90o，從而可實(shí)現亞皮秒調整分辨率。

通道間增益和偏移匹配

在雙轉換器交替系統中，通道增益失配產(chǎn)生的誤差電壓會(huì )導致Fs/2-FIN和Fs/4±FIN發(fā)生圖像雜散信號（假設輸入信號在第一尼奎斯特頻帶內）。8位轉換器具有28或256個(gè)編碼。假設轉換器全輸入范圍為Vp-p,，LSB大小等于1V/256=3.9mV。我們可以得出1/2LSB精確度需要的增益匹配為0.2%。

ADC083000的輸入全范圍電壓或增益可以使用9位數據分辨值進(jìn)行線(xiàn)性且單調的調整。調整范圍是標稱(chēng)700mVp-p差分值的±20%，或560mVp-p至840mVp-p。