交錯ADC的ABC

2020-06-30

跨越當今市場(chǎng)的許多領(lǐng)域，交織的模擬-數字轉換器（ ADC的）有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)在許多應用。在通信基礎設施中，除了數字預失真（ DPD ）等線(xiàn)性化技術(shù)對帶寬的要求更高之外，一直在不斷尋求更高采樣率的ADC以支持多頻帶，多載波無(wú)線(xiàn)電。在軍事和航空航天中，較高采樣率的ADC允許用于通信，電子監視和雷達的多功能系統，僅舉幾例。在工業(yè)儀器中 對更高采樣率ADC的需求不斷增長(cháng)，因此可以更充分，更 準確地測量更高速度的信號。

它'小號 第一 重要的 ，以 了解 究竟 是什么 交錯 的ADC 是 什么。為了更好地理解，最好查看實(shí)際發(fā)生的情況及其實(shí)現方式。然后，我們可以探討交織的好處。當然，正如許多人所知，沒(méi)有免費的午餐之類(lèi)的東西，所以需要評估和評估交錯的挑戰。

關(guān)于交錯

當ADC被交錯，兩個(gè)或更多的ADC，以及一個(gè)限定的計時(shí)關(guān)系 被 用于 以 同時(shí) 取樣 的 輸入 信號 和 產(chǎn)生 一個(gè)組合的輸出信號的結果在采樣帶寬在一些多個(gè)單個(gè)ADC的。利用m 個(gè)ADC可以將有效采樣率提高m倍。

為了簡(jiǎn)單和易于理解，我們將重點(diǎn)介紹兩個(gè)ADC的情況。如果兩個(gè)ADC的采樣率分別為fS交錯，則最終的采樣率僅為2×f s。這兩個(gè)ADC必須具有時(shí)鐘相位關(guān)系，以使交織正常工作。時(shí)鐘相位關(guān)系由公式1決定，其中n 是特定的ADC，m 是ADC 的總數：

作為一個(gè)例子， 2級的ADC，每個(gè)具有一個(gè)采樣率 100的MSPS，被交織 到 達到 一個(gè) 樣品 率 的 200 MSPS。 在 此 情況下， 等式 1可被用于導出兩個(gè)ADC，其中時(shí)鐘的相位關(guān)系是由公式2和公式3給出：

現在 認為 的 時(shí)鐘-相 關(guān)系 是 已知的， 該 構造 的 樣品可以被檢查。圖1提供時(shí)鐘的相位關(guān)系的視覺(jué)表示 和 所述 樣本 結構 的 2 100 MSPS 交錯 的ADC。請注意180° 的時(shí)鐘的相位關(guān)系和如何樣品被交錯。輸入波形也可以由兩個(gè)ADC采樣。在這種情況下，交織被執行通過(guò)使用一個(gè)200MHz的時(shí)鐘輸入端，” ? 劃分通過(guò) 一個(gè) 因子 的 2 和 的 所需 相位 的 所述 時(shí)鐘 到 每個(gè) ADC。

1.兩個(gè)交錯的100 MSPS ADC —基本圖。

的另一種表示這種概念被示出在圖 2。通過(guò)交錯這些 2級100- MSPS的ADC，該采樣率被增加至200 MSPS。這 將 每個(gè) 奈奎斯 特區 從 50 MHz 擴展 到 100 MHz，從而使工作帶寬 增加 了一倍 。增加的工作帶寬帶來(lái)了 許多 優(yōu)勢 ，以 應用 跨越 多個(gè)市場(chǎng) 段。 無(wú)線(xiàn)電系統可以增加支持頻帶的數量，雷達系統可以提高 空間 分辨率， 并且 測量 設備 可以 實(shí)現 更大的模擬輸入 帶寬。

2.兩個(gè)交錯的100 MSPS ADC —時(shí)鐘和采樣

交錯的好處

在 利益 的 交織 跨度 跨越 了一系列的市場(chǎng) 細分。 的最期望的有益效果是增加的帶寬成為可能由交織ADC的更寬的奈奎斯特區。再一次，使用示例 2級的100- MSPS的ADC交織到創(chuàng )建一個(gè)采樣率的 200 MSPS，圖3給出了一個(gè)表示的所述多更寬通過(guò)交錯兩個(gè)ADC允許帶寬。這為許多不同的應用創(chuàng )造了優(yōu)勢。

3.兩個(gè)交錯的ADC-奈奎斯特區。

隨著(zhù)蜂窩標準增加信道帶寬和工作頻帶數量，對ADC中的可用帶寬提出了更高的要求。此外，對于軍事應用而言，對更好的空間識別的要求以及后端通信中通道帶寬的增加要求ADC擁有更高的帶寬。

由于在這些區域需要更多的帶寬，因此精確測量這些信號變得更加關(guān)鍵。因此，測量設備需要更高的帶寬才能正確獲取和測量這些更高帶寬的信號。許多設計中的系統要求本質(zhì)上都領(lǐng)先于商用ADC技術(shù)。交織使得彌合這一差距成為可能。

增加的采樣率提供了這些應用程序的更多的帶寬，但 也 允許 對于 更容易 頻率 規劃 和 減少 的 的是通常在ADC輸入中使用的抗混疊濾波器的復雜性和成本。隨著(zhù) 所有的這些 好處， 一個(gè) 具有 以 奇跡“什么 的 價(jià)格 我要付錢(qián)？” 雖然交錯的ADC提供更高的 帶寬 和 其他 不錯的 收益， 一些 挑戰也在這種實(shí)現進(jìn)入圖片。

交錯的挑戰

交錯ADC時(shí)要注意的一件事是，在輸出頻譜中出現的雜散是由與交錯ADC相關(guān)的缺陷引起的。這些缺陷基本上是兩個(gè)交錯的ADC之間的不匹配。四個(gè)基本不匹配導致輸出頻譜中的雜散：偏移不匹配，增益不匹配，時(shí)序不匹配和帶寬不匹配。

偏移失配

在 最簡(jiǎn)單 的 這些 來(lái) 了解 是 可能 的 偏移 不匹配 的兩個(gè)ADC之間。每個(gè)ADC都有一個(gè)相關(guān)的直流偏移值。當所述兩個(gè)ADC被交錯和樣品采集替代地，回到來(lái)回之間的2級的ADC，所述直流偏移的每個(gè)連續樣品的變化。

圖4給出了一個(gè)示例，說(shuō)明每個(gè)ADC如何具有自己的直流偏移，以及交錯輸出如何在這兩個(gè)直流偏移值之間有效地來(lái)回切換。輸出以f s / 2 的速率在這些偏移值之間切換，這將導致位于fS / 2的輸出頻譜中出現毛刺。因為不匹配本身不具有的頻率分量和僅在直流，正的頻率出現在輸出頻譜只取決于上的采樣頻率和將總是出現在一個(gè)頻率的?F 小號 / 2。

4.失調失配：當兩個(gè)ADC交錯并在它們之間來(lái)回交替采樣時(shí)，它會(huì )改變每個(gè)連續采樣的dc失調

該 幅度 的 的 骨刺 取決于 該 幅度 的 的ADC之間的偏移不匹配。不匹配越大，雜散越大。為了最大限度地減少了引起骨刺由偏移不匹配，這不是必要的，以完全空直流偏移在每個(gè)ADC。這樣做會(huì )濾除信號中的任何直流成分。此外，它不會(huì )對工作 系統 使用 一個(gè) 零 IF （ ZIF ）架構，其中 的 信號 的內容 是 真實(shí)的和 復雜的 ，并 包括 數據 的 直流。

相反， 一種 更 合適的 技術(shù)是使一個(gè)ADC的偏移與另一個(gè)ADC的偏移匹配。選擇一個(gè)ADC的失調作為基準，另一個(gè)ADC的失調設置為盡可能接近該值。偏移值匹配得越好， f s / 2 處的雜散越小。

失配

交織時(shí)要考慮的第二個(gè)失配是ADC之間的增益失配。圖5表示兩個(gè)交錯轉換器之間的增益失配。在這種情況下，不匹配有一個(gè)頻率成分。為了觀(guān)察這種失配，必須有一個(gè)信號施加到ADC。

5.交錯ADC中的增益失配涉及頻率分量。

與偏移失配，沒(méi)有信號要看到的固有直流兩個(gè)ADC的偏移量。對于增益失配，除非存在信號并且可以測量增益失配，否則無(wú)法看到增益失配。的增益失配將導致在的有關(guān)的輸出譜的正 的輸入頻率，如良好的采樣率，以及將出現在 ?F 小號 / 2±?F IN。

為了最小化由增益失配引起的雜散，采用與偏移失配相似的策略。的增益的中的一個(gè)的模數轉換器被選擇作為參考，和增益的所述其他ADC被設定為增益值盡可能接近地匹配。更好的每個(gè)ADC的增益值被匹配到每個(gè)其它，較少所得正將在輸出光譜。

時(shí)序不匹配

兩個(gè)ADC之間的時(shí)序失配有兩個(gè)組成部分：ADC模擬部分的群延遲和時(shí)鐘偏斜。ADC中的模擬電路具有相關(guān)的組延遲，并且兩個(gè)ADC之間的值可能不同。此外，時(shí)鐘偏移在每個(gè)ADC的孔徑不確定性分量，以及與該時(shí)鐘的精度的分量相即是輸入到每個(gè)轉換器。圖 6 顯示了ADC中時(shí)序不匹配的機制和影響。類(lèi)似于增益失配骨刺，所述時(shí)序不匹配正也是一個(gè)功能的輸入頻率和采樣率，并以f s / 2±f IN出現。

6.兩個(gè)ADC之間的時(shí)序不匹配包括兩個(gè)部分：ADC模擬部分的群延遲和時(shí)鐘偏斜

為了最大程度地減少雜散，每個(gè)轉換器模擬部分的群時(shí)延都需要使用良好的電路設計技術(shù)進(jìn)行適當匹配。另外，時(shí)鐘路徑設計需要緊密匹配以最小化孔徑不確定性差異。最后，必須精確控制時(shí)鐘相位關(guān)系，以使兩個(gè)輸入時(shí)鐘之間的距離盡可能接近180°。與其他不匹配一樣，目標是嘗試最小化導致時(shí)序不匹配的機制。

帶寬不匹配

在過(guò)去的這些不匹配的，帶寬錯配是可能的最困難，以理解和處理。如所示在圖7，帶寬失配具有增益和相位/頻率分量。這使帶寬失配更加困難，因為它包含來(lái)自其他兩個(gè)失配參數的分量。然而，在帶寬失配中，我們看到了在不同頻率下的不同增益值。另外，帶寬具有定時(shí)分量，該定時(shí)分量使不同頻率的信號通過(guò)每個(gè)轉換器具有不同的延遲。

 

7.帶寬不匹配具有增益和相位,頻率分量，這使得這種不匹配更難以解決

最小化帶寬失配的最佳方法是擁有良好的電路設計和布局實(shí)踐，以最小化ADC之間的帶寬失配。每個(gè)ADC匹配得越好，將進(jìn)一步減少產(chǎn)生的雜散。正如所引起的增益和定時(shí)失配骨刺在輸出頻譜在f 小號 / 2±?F IN中，帶寬不匹配也導致正以相同的 頻率。

在討論了導致ADC交織時(shí)出現問(wèn)題的四種不同失配之后，它們之間出現了共同點(diǎn)。四個(gè)失配中的三個(gè)會(huì )在輸出頻譜中以f s / 2±f IN產(chǎn)生雜散。偏移失配正可以容易地識別，因為它獨自居住 在 ?F 小號 / 2 和 可以 被 補償 相當容易。的增益，定時(shí)，和帶寬不匹配所有產(chǎn)生一個(gè)正在?F 小號 / 2±?F IN中的輸出 頻譜，所以問(wèn)題就變成了如何識別每個(gè)頻譜的貢獻。圖8給出了一個(gè)快速 的視覺(jué) 引導 到 所述 過(guò)程 的 標識 的 源 的 所述 雜散 從交織ADC的不同錯配。

8.交錯不匹配的相關(guān)性質(zhì)

如果僅看增益不匹配，則是低頻或直流不匹配類(lèi)型。通過(guò)在接近dc的低頻下執行增益測量，然后在更高的頻率下執行增益測量，可以將帶寬不匹配的增益分量與增益不匹配分開(kāi)。增益不匹配不像帶寬不匹配的增益分量那樣是頻率的函數。類(lèi)似的方法用于時(shí)序失配。在接近dc的低頻下執行測量，然后在更高的頻率下執行后續測量，以將帶寬不匹配的時(shí)序分量與時(shí)序不匹配分開(kāi)。