通過以雙倍采樣率多路復(fù)用（例如）一對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸出來對(duì)多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行時(shí)間交錯(cuò)，現(xiàn)在已經(jīng)是一個(gè)成熟的概念——布萊克和霍奇斯于 1980 年首次提出。1, 2在設(shè)計(jì) 7 位、4MHz 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 時(shí)，他們確定時(shí)間交錯(cuò)解決方案需要的芯片面積比同類的 2 MHz 模數(shù)轉(zhuǎn)換器n閃存轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。事實(shí)證明，這種新概念在他們的設(shè)計(jì)中具有巨大的價(jià)值，但節(jié)省空間并不是它的唯一好處。ADC的時(shí)間交錯(cuò)提供了一種概念上簡(jiǎn)單的方法，用于乘以現(xiàn)有高性能ADC的采樣速率，例如14位、105 MSPS AD6645和12位、210 MSPS AD9430。在許多不同的應(yīng)用中，這一概念已被用于使需要極高采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)受益。

雖然標(biāo)準(zhǔn)ADC產(chǎn)品的速度和分辨率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過4 MHz和7位，但時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)（有充分的理由）并沒有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過8位分辨率。然而，在8位性能水平下，這一概念已在測(cè)試和測(cè)量行業(yè)中得到廣泛采用，特別是對(duì)于寬帶數(shù)字示波器。安捷倫實(shí)驗(yàn)室最近開發(fā)的 20 GSPS、8 位 ADC 證明它繼續(xù)在這個(gè)市場(chǎng)上產(chǎn)生影響3并被安捷倫技術(shù)無限公司采用?示波器系列。4事實(shí)上，時(shí)間交錯(cuò)式ADC系統(tǒng)在8位電平上蓬勃發(fā)展，但在需要高分辨率、寬帶寬和穩(wěn)定動(dòng)態(tài)范圍相結(jié)合的應(yīng)用中，它們?nèi)匀徊蛔恪?/p>

12位和14位電平的時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)的主要限制因素是通道匹配的要求。提供8 dB動(dòng)態(tài)范圍的50位系統(tǒng)可以容忍0.25%的增益失配和5 ps的時(shí)鐘偏斜誤差。這種精度水平可以通過傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)，例如匹配物理通道布局、使用通用ADC基準(zhǔn)電壓、預(yù)篩選器件和有源模擬調(diào)整，但在更高的分辨率下，要求要嚴(yán)格得多。到目前為止，采用更多創(chuàng)新匹配技術(shù)的設(shè)備尚未商業(yè)化。

本文將詳細(xì)概述12位和14位時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)的匹配要求，討論先進(jìn)的數(shù)字后處理技術(shù)作為使能技術(shù)的理念，并介紹采用迄今為止最有前途的解決方案高級(jí)濾波器組（AFB）的器件。?），來自 V Corp Technologies， Inc.5, 6

時(shí)間交錯(cuò)過程概述

ADC系統(tǒng)的時(shí)間交錯(cuò)采用以總系統(tǒng)采樣速率的1/m采樣速率運(yùn)行m ADC的概念。每個(gè)通道的時(shí)鐘都處于一個(gè)相位，使系統(tǒng)作為一個(gè)整體能夠以相等間隔的時(shí)間增量進(jìn)行采樣，從而創(chuàng)建單個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器全速采樣的無縫圖像。圖1顯示了典型四通道、時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)的模塊圖和時(shí)序圖。四個(gè)ADC通道中的每一個(gè)都以系統(tǒng)采樣速率的四分之一運(yùn)行，間隔為90°。最終輸出數(shù)據(jù)流是通過以正確的順序（例如，1、2、3、4、1、2等）交錯(cuò)所有單獨(dú)的通道數(shù)據(jù)輸出來創(chuàng)建的。在雙轉(zhuǎn)換器示例中，兩個(gè)ADC通道的時(shí)鐘頻率為整個(gè)系統(tǒng)采樣速率的一半，并且它們彼此異相180°。

圖1.四通道時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)。

為簡(jiǎn)單起見，本文主要關(guān)注雙轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，但當(dāng)需要闡明關(guān)鍵性能差異時(shí)，將討論四轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。大多數(shù)框圖、數(shù)學(xué)關(guān)系和解決方案將突出顯示雙通道配置。

時(shí)間交錯(cuò)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

如前所述，通道間匹配對(duì)時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍性能有直接影響。ADC通道之間的失配會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)范圍下降，在FFT圖中，動(dòng)態(tài)范圍下降表現(xiàn)為雜散頻率分量，稱為鏡像雜散和失調(diào)雜散。與時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)相關(guān)的鏡像雜散是ADC通道之間增益和相位不匹配的直接結(jié)果。增益誤差和相位誤差產(chǎn)生彼此正交的誤差函數(shù)。兩者都有助于在相同頻率位置的鏡像雜散能量。失調(diào)雜散由ADC通道之間的失調(diào)差產(chǎn)生。與鏡像雜散不同，偏移雜散不依賴于輸入信號(hào)。對(duì)于給定的失調(diào)失配，失調(diào)雜散將始終處于同一電平。對(duì)這些雜散行為的廣泛研究產(chǎn)生了幾種數(shù)學(xué)方法來表征信道匹配誤差與動(dòng)態(tài)范圍性能之間的關(guān)系。7, 8

雖然這些方法徹底且非常有用，但這里使用的“誤差電壓”方法提供了一種簡(jiǎn)單的方法來理解這種關(guān)系，而無需深入研究復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。該方法基于ADI公司應(yīng)用筆記AN-501中使用的相同理念9建立ADC中孔徑抖動(dòng)與信噪比（SNR）下降之間的關(guān)系。誤差電壓定義為“預(yù)期”采樣電壓與“實(shí)際”采樣電壓之差。這些差異是由一大部分誤差造成的，這些誤差分為三個(gè)基本類別：增益（圖2）、相位（圖3）和失調(diào)（圖4）失配。

圖2.增益不匹配導(dǎo)致的電壓誤差。

圖3.由于編碼/時(shí)鐘偏差導(dǎo)致的電壓誤差。

圖4.失調(diào)失配導(dǎo)致的電壓誤差。

在雙轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)系統(tǒng)中，增益和相位失配產(chǎn)生的誤差電壓導(dǎo)致位于奈奎斯特減去模擬輸入頻率的鏡像雜散。失調(diào)失配會(huì)產(chǎn)生誤差電壓，導(dǎo)致位于奈奎斯特的失調(diào)雜散。由于偏移雜散位于奈奎斯特頻段的邊緣，雙通道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員通?？梢試@該頻段規(guī)劃系統(tǒng)頻率，并將精力集中在增益和相位匹配上。圖5顯示了雙通道系統(tǒng)的典型FFT圖。

圖5.典型的雙轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)FFT圖。

在四轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)系統(tǒng)中，有三個(gè)鏡像雜散和兩個(gè)失調(diào)雜散。由ADC通道之間的增益和相位失配產(chǎn)生的鏡像雜散位于（1）奈奎斯特減去模擬輸入頻率和（2）奈奎斯特加或減模擬輸入頻率的一半。偏移雜散位于奈奎斯特和奈奎斯特的一半（波段中間）。圖6顯示了四轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的典型FFT圖，說明了這五個(gè)雜散的位置。

圖6.典型的四轉(zhuǎn)換器交錯(cuò)FFT圖。

一旦知道三個(gè)失配組中每個(gè)組的誤差電壓，就可以使用以下公式來計(jì)算鏡像和失調(diào)雜散（IS獲得是階段是總這抵消） 在單音、雙轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中：

如前所述，增益和相位誤差產(chǎn)生正交誤差函數(shù)7，需要它們對(duì)圖像支線的個(gè)人貢獻(xiàn)的“和方根”組合。使用這些公式，可以制定誤差預(yù)算，以確定維持給定動(dòng)態(tài)范圍要求所需的匹配級(jí)別。例如，在12 MHz輸入頻率下，74位動(dòng)態(tài)范圍要求為180 dBc，則需要增益匹配優(yōu)于0.02%，孔徑延遲匹配優(yōu)于300 fs！如果增益可以完美匹配，則孔徑延遲匹配可以“放松”到大約350 fs。圖7顯示了此12位、180 MHz示例的詳細(xì)“誤差預(yù)算曲線”示例。

圖7.誤差預(yù)算：12 位、2 通道、180MHz 輸入。

表I提供了幾種不同情況的匹配要求，以說明使經(jīng)典的時(shí)間交錯(cuò)A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在寬帶寬上以12位和14位分辨率工作所需的極高精度。

表 I. 時(shí)間交錯(cuò) ADC 匹配要求。

寬帶寬時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)的2通道時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)采用圖8所示的基本配置。傳統(tǒng)時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)中的第一級(jí)匹配是通過減少通道之間的物理和電氣差異來實(shí)現(xiàn)的。例如，增益匹配通常通過使用公共基準(zhǔn)電壓和精心匹配的物理布局來控制。相位匹配是通過手動(dòng)調(diào)整時(shí)鐘（或模擬輸入）路徑的電氣長(zhǎng)度和/或通過控制時(shí)鐘分配電路的電氣特性（上升/下降時(shí)間、偏置電平、觸發(fā)電平等）的特殊調(diào)整技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。失調(diào)匹配取決于各個(gè)ADC的失調(diào)性能。

圖8.傳統(tǒng)時(shí)間交錯(cuò)ADC的功能圖

其中許多匹配方法都基于仔細(xì)的模擬設(shè)計(jì)和調(diào)整技術(shù)。雖然有很多優(yōu)秀的想法可以滿足這些苛刻的匹配要求，但其中許多都需要額外的電路來增加自己的誤差源，這違背了實(shí)現(xiàn)精確增益和相位匹配的最初目的。這種想法的一個(gè)例子是設(shè)置兩個(gè)不同時(shí)鐘信號(hào)的上升和下降時(shí)間。任何能夠提供這種控制水平的電路都會(huì)受到電源電壓和溫度對(duì)每個(gè)通道相位行為的影響。

先進(jìn)的數(shù)字后處理

隨著新數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，以及廉價(jià)、高速、可配置的數(shù)字硬件平臺(tái)（DSP、FPPGA、CPLD、ASIC 等）的進(jìn)步，為時(shí)間交錯(cuò) ADC 性能的突破開辟了道路。與傳統(tǒng)的模擬匹配技術(shù)相比，數(shù)字后處理方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它們?cè)趯?shí)現(xiàn)方面非常靈活，其精度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目標(biāo)ADC分辨率。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)如何影響時(shí)間交錯(cuò)系統(tǒng)架構(gòu)的概念視圖如圖9所示。該概念采用一組數(shù)字校準(zhǔn)傳遞函數(shù)來處理每個(gè)ADC的輸出數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)建一組新的“校準(zhǔn)輸出”。這些數(shù)字校準(zhǔn)傳遞函數(shù)可以使用各種數(shù)字濾波器配置（FIR、IIR等）來實(shí)現(xiàn)。它們可以像調(diào)整一個(gè)通道的增益一樣簡(jiǎn)單，也可以像在寬帶寬和溫度范圍內(nèi)調(diào)整每個(gè)通道的增益、相位和失調(diào)一樣復(fù)雜。

寬帶寬和溫度匹配是使用數(shù)字后處理技術(shù)提高時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)性能的最大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在寬帶寬和溫度范圍內(nèi)為多個(gè)ADC通道設(shè)計(jì)數(shù)字校準(zhǔn)傳遞函數(shù)所需的數(shù)學(xué)推導(dǎo)極其復(fù)雜且不容易獲得。然而，在這一領(lǐng)域投入了大量的學(xué)術(shù)工作，創(chuàng)造了許多有趣的解決方案。其中一個(gè)解決方案被稱為高級(jí)過濾器庫(kù)（AFB），其為重大突破提供平臺(tái)的能力非常突出。

圖9.數(shù)字后處理架構(gòu)示例。

高級(jí)過濾器組 （AFB）

AFB是首批商用數(shù)字后處理技術(shù)之一，對(duì)時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大影響。通過在寬帶寬和溫度范圍內(nèi)提供精確的通道間增益、相位和失調(diào)匹配，AFB完全有能力在高速12/14位應(yīng)用領(lǐng)域牢固地建立時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)。除了匹配功能外，AFB還為ADC系統(tǒng)提供相位線性化和增益平坦度補(bǔ)償。圖10顯示了采用AFB的系統(tǒng)的基本框圖表示。

圖 10.空軍基地基本框圖。

通過使用獨(dú)特的多速率FIR濾波器結(jié)構(gòu)，AFB可以很容易地實(shí)現(xiàn)到方便的數(shù)字硬件平臺(tái)中，例如FPGA或CPLD。FIR系數(shù)是使用專利方法計(jì)算的，該方法涉及從圖9所示的方程開始，然后應(yīng)用各種高級(jí)數(shù)學(xué)技術(shù)來求解數(shù)字校準(zhǔn)傳遞函數(shù)。

AFB使時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)能夠使用高達(dá)90%的奈奎斯特頻段，并且可以配置為在轉(zhuǎn)換器的任何奈奎斯特區(qū)（例如，第一、第二、第三等）工作。可以使用一組邏輯輸入來選擇適當(dāng)?shù)哪慰固貐^(qū)，這些邏輯輸入控制所需的FIR系數(shù)。

空軍基地設(shè)計(jì)示例

AD12400是ADI公司利用時(shí)間交錯(cuò)和AFB的全新產(chǎn)品系列的首款產(chǎn)品。其性能將用于說明將最先進(jìn)的ADC設(shè)計(jì)與先進(jìn)的數(shù)字后處理技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。圖11顯示了AD12400的框圖及其關(guān)鍵電路功能。AD12400采用獨(dú)特的模擬前端電路，具有400 MHz輸入帶寬、兩個(gè)12位、200 MSPS ADC通道，以及采用高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的AFB實(shí)現(xiàn)方案。它采用上面討論的許多經(jīng)典匹配技術(shù)以及非常低抖動(dòng)的時(shí)鐘分配電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些關(guān)鍵組件相結(jié)合，開發(fā)出一款 12 位、400 MSPS ADC 模塊，該模塊在 90% 的奈奎斯特頻段和 85°C 溫度范圍內(nèi)性能非常好。它具有 400 MHz 的模擬輸入帶寬。

圖 11.AD12400原理框圖

ADC的傳遞函數(shù)是在制造過程中通過寬帶寬、寬溫度范圍測(cè)量獲得的。該檢定例程將ADC的測(cè)量傳遞函數(shù)直接饋送到AFB系數(shù)計(jì)算過程中。一旦對(duì)ADC進(jìn)行了表征，并計(jì)算了所需的FIR系數(shù)，F(xiàn)PGA就會(huì)被編程，產(chǎn)品就可以開始工作了。使用AFB的特殊FIR結(jié)構(gòu)和系數(shù)計(jì)算過程實(shí)現(xiàn)寬帶寬匹配。通過使用板載數(shù)字溫度傳感器選擇多個(gè)FIR系數(shù)組之一，可實(shí)現(xiàn)寬溫度性能。

這項(xiàng)技術(shù)的真正影響可以在圖12和圖13中看到。圖12顯示了該系統(tǒng)第一個(gè)奈奎斯特區(qū)的鏡像雜散性能。圖12中的第一條曲線表示2通道時(shí)間交錯(cuò)系統(tǒng)的性能，該系統(tǒng)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，可在布局中提供最佳匹配。該曲線中鏡像雜散的行為表明，該系統(tǒng)是在128 MHz的模擬輸入頻率下手動(dòng)調(diào)整的。圖13的類似觀察表明，手動(dòng)微調(diào)溫度為40°C。

圖 12.在頻率范圍內(nèi)“前后”手動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的性能。

圖 13.在溫度范圍內(nèi)“前后”手動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)的性能。

盡管AD12400 ADC采用了精心的PCB布局、緊密匹配的前端電路、緊密匹配的時(shí)鐘分配電路以及通用基準(zhǔn)電壓，但隨著頻率和/或溫度偏離手動(dòng)調(diào)整條件，動(dòng)態(tài)范圍會(huì)迅速下降。通過分析影響該電路的一些敏感因素，可以在任何雙轉(zhuǎn)換器時(shí)間交錯(cuò)ADC系統(tǒng)中預(yù)測(cè)這種快速的衰減速率。例如，典型的高性能12位ADC的增益溫度系數(shù)為0.02%/°C。 在這種情況下，溫度變化10°C會(huì)導(dǎo)致增益變化0.2%，導(dǎo)致鏡像雜散為60 dBc（參見公式1）。僅考慮這種單一ADC溫度特性，預(yù)測(cè)的鏡像雜散比圖3所示的30°C性能差13 dB。

相比之下，當(dāng)啟用AFB補(bǔ)償時(shí)，這些圖中顯示的動(dòng)態(tài)范圍性能仍然穩(wěn)定。事實(shí)上，在近12 MHz的帶寬和190°C的溫度范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)范圍性能超過了40位電平。 這種方法的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是，通過使用額外的FIR系數(shù)組，溫度范圍實(shí)際上可以從所示的20°C至60°C范圍擴(kuò)展到0°C至85°C，如AD12400所示。

結(jié)論

時(shí)間交錯(cuò)正逐漸成為高速ADC系統(tǒng)性能增強(qiáng)的重要趨勢(shì)。先進(jìn)的數(shù)字后處理方法（如AFB）為分辨率水平的嚴(yán)格通道匹配要求提供了一種方便的解決方案，這是以前時(shí)間交錯(cuò)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)與現(xiàn)有的最佳ADC架構(gòu)相結(jié)合時(shí)，先進(jìn)的DSP技術(shù)（如AFB）已準(zhǔn)備好將高速ADC系統(tǒng)的性能提升到一個(gè)新的水平，并促進(jìn)在醫(yī)療成像、精密藥物分配器（流體流量測(cè)量）、合成孔徑雷達(dá)、數(shù)字波束形成通信系統(tǒng)和高級(jí)測(cè)試/測(cè)量系統(tǒng)等要求苛刻的市場(chǎng)中大幅改進(jìn)產(chǎn)品和系統(tǒng)。該技術(shù)將在不久的將來帶來許多突破，包括14位/400 MSPS和12位/800 MSPS ADC系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷