利用多通道ADC使系統(tǒng)性能達(dá)到更先進(jìn)水平

就像兔子誘惑狗賽跑一樣，兔子必須要比狗跑的快，要求最嚴(yán)格的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能自然要高于民用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。這些極嚴(yán)格的要求推動IC制造商及其用戶的發(fā)展，出現(xiàn)許多滿足高端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需求的“增強(qiáng)性能”的創(chuàng)新方法。

其中一種方法是通過采用多通道ADC填充轉(zhuǎn)換器的“時隙”來大幅度增加采樣速率、降低噪聲或擴(kuò)展動態(tài)范圍。隨著給定帶寬和分辨率下的單個ADC的成本、尺寸和功耗的降低，并且隨著多個轉(zhuǎn)換器（通常封裝在一起）的應(yīng)用越來越多，該方法變得越來越切實(shí)可行。

本文將討論兩種多通道方法：信號平均--保證采樣速率不變，增加分辨率；時間交織——保證分辨率不變，提高采樣速率。采用這兩種方法的產(chǎn)品已經(jīng)誕生，例如ADI公司的AD10678(16 bit，80 MSPS ADC)和AD12500(12 bit，500 MSPS ADC)。

信號平均

信噪比（SNR，以 dB為單位），是成像和雷達(dá)等應(yīng)用中的關(guān)鍵性能指標(biāo)。這些系統(tǒng)中使用的ADC可能會受到許多外部噪聲源的影響，包括時鐘噪聲、電源噪聲和布線引入的耦合數(shù)字噪聲。只要不相關(guān)噪聲源的平方和的平方根（RSS）小于ADC固有量化噪聲，輸出平均就會有效地降低總體本底噪聲。

那些需要較高SNR的系統(tǒng)通常使用數(shù)字后處理器將多個ADC通道的輸出加和。信號直接相加，而來自單獨(dú)ADC（假設(shè)不相關(guān)）的噪聲采用RSS加和，因此輸出加和提高了總體SNR。四個ADC輸出的加和會提高6 dB SNR，即1 LSB。AD6645 14 bit 80 MSPS ADC規(guī)定有效位數(shù)（ENOB）為12。圖1示出四個AD6645的輸出加和增加了2 bit分辨率和1 bit性能。

每個ADC的輸入包含一個信號項(xiàng)（VS）和一個噪聲項(xiàng)（VN）。對四個噪聲電壓求和得到的總電壓VT等于四個信號電壓的線性和加上四個噪聲電壓的RSS值，即：

由于VS1=VS2=VS3=VS4，等效于信號被放大了四倍，而ADC的噪聲（RMS值）只放大了兩倍，從而使信噪比增大兩倍，即增加6.02 dB。因此，四路信號求和所獲得的6.02 dB增量(SNR)使有效分辨率提升了1bit。因?yàn)镾NR(dB)=6.02N+1.76，N為位數(shù)，所以，

表1 中示出了多個ADC輸出加和所獲得的SNR增量。從簡單性考慮，四個ADC加和是顯然的選擇。某些重要應(yīng)用也會考慮更多的ADC加和，但應(yīng)取決于其它系統(tǒng)指標(biāo)要求（包括成本）和可提供的印制電路板（PCB）尺寸。

14 bit ADC理想的SNR為(6.02 × 14) + 1.76 = 86.04 dB。然而，AD6645的技術(shù)資料中提供的SNR的典型值僅為74 dB，所以其ENOB僅為12 bit。

因此，四路轉(zhuǎn)換器輸出求和可以補(bǔ)償額外的1 bit分辨率，加上原來系統(tǒng)級ENOB可到達(dá)13 bit(80 dB) 。

當(dāng)然，這樣的系統(tǒng)需要付出一些設(shè)計(jì)努力，以及一些系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)、鑒定和測試開發(fā)的代價。但是，AD10678集成了4個AD6645，一個時鐘分配系統(tǒng)，以及一個已配置好的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)以提供高速加法運(yùn)算?，F(xiàn)在可提供的AD10678以低成本和占用2.2 × 2.8英寸PCB面積的封裝，通過測試完全達(dá)到規(guī)定技術(shù)指標(biāo)。圖2所示的快速傅立葉變換（FFT）結(jié)果證明了ADC的優(yōu)良性能，在80 MSPS時鐘和10 MHz模擬輸入條件下能夠提供80.22 dB SNR。

除了提高SNR，這種體系結(jié)構(gòu)還提高了DC精度。四個ADC的失調(diào)和增益誤差是不相關(guān)的，因此采用降低噪聲一樣的方法來降低系統(tǒng)失調(diào)和增益誤差。但是在線性誤差方面上沒有改善，實(shí)際上無雜散動態(tài)范圍(SFDR)取決于最差的ADC。

但是這種方案需要占用較大的PCB面積和4倍的功耗，但與以4倍采樣速率工作的單ADC的輸出平均方案相比，采用這種方法仍然具有優(yōu)勢。盡管以提高采樣速率增加采樣點(diǎn)數(shù)也會降低輸入信號中的常模噪聲。隨著制造工藝的改進(jìn)，新的設(shè)計(jì)使ADC的內(nèi)核功耗進(jìn)一步降低；另外可提供的4通道和8通道ADC的出現(xiàn)使多ADC系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)，并且減小了封裝尺寸。例如，AD9259 4 通道14 bit, 50 MSPS ADC采用 48引線LFCSP (7 mm × 7 mm) 封裝，其每通道功耗僅為100 mW。

雖然用提高輸入電壓的標(biāo)準(zhǔn)化做法來提高規(guī)定的SNR是可行的，但這會增加驅(qū)動放大器的設(shè)計(jì)壓力，并且由于信號和噪聲一起被放大，所以會降低系統(tǒng)SNR。加和體系結(jié)構(gòu)的另一個微妙優(yōu)點(diǎn)是，滿度模擬輸入不需要大于使用單ADC時的輸入。

比較硬件和軟件成本，信號平均的方法本身要比數(shù)字濾波有優(yōu)勢，但對于要提供經(jīng)濟(jì)有效的硬件處理和軟件濾波的總體系統(tǒng)考慮所要求的數(shù)字濾波，軟件常常使工作更容易。

時間交織

M個ADC的時間交織可以使采樣速率提高到M倍。通過合理地配置每個ADC時鐘信號的相位，任何一款標(biāo)準(zhǔn)ADC IC的最大采樣速率可乘以系統(tǒng)內(nèi)ADC的數(shù)量。每個ADC所需的合適的時鐘相位可以按下式計(jì)算：

M表示ADC的數(shù)量

m表示具體ADC的序號，即1≤m≤M

例如，一個采用AD9444 14 bit, 80 MSPS ADC組成的4通道系統(tǒng)，當(dāng)每路時鐘相位以90°(π/2)間隔適當(dāng)遞增時，將會產(chǎn)生14 bit，320 MSPS的效果。圖3示出這類系統(tǒng)的基本框圖。在AD12400/AD12500系列產(chǎn)品中已經(jīng)采用了12 bit集成解決方案的時間交織方法。圖4示出了AD12500框圖，其中包括ADC、時鐘管理、電源和數(shù)字后處理所有必需的功能。

增加ADC系統(tǒng)的采樣速率最明顯的好處是增加模擬采樣帶寬，又稱作奈奎斯特頻帶。增加數(shù)字化儀器系統(tǒng)中奈奎斯特頻帶可以提供很多好處：數(shù)字示波器可以擴(kuò)展模擬輸入帶寬；軟件定義無線電系統(tǒng)可以增加信道數(shù)；雷達(dá)系統(tǒng)可以提高空間分辨率。圖5示出14 bit，320 MSPS ADC系統(tǒng)對22 MHz頻率信號采樣的仿真FFT圖。

該ADC系統(tǒng)的FFT頻譜擁有160 MHz奈奎斯特頻帶。為了討論方便，160 MHz奈奎斯特帶寬被分為4個獨(dú)立的40 MHz頻帶，每個頻帶代表著采樣速率為80 MSPS的單個AD9444的奈奎斯特頻帶。22 MHz基頻位于頻帶1。在圖5可以觀察到，除了基頻，還可以觀察到兩種類型的非諧波失真分量--失調(diào)雜散和鏡像雜散。對于單頻輸入信號引起的失真分量位置可以通過以下關(guān)系式來確定：

這些失真分量的出現(xiàn)是與時間交織有關(guān)的主要挑戰(zhàn)。它們直接影響通道之間的增益、相位和失調(diào)匹配誤差。實(shí)際上，這些雜散信號的幅度直接與誤差幅度成正比1，2。例如，一個通道上1%的增益誤差會造成52 dBc的鏡像雜散幅度。當(dāng)系統(tǒng)頻率規(guī)劃涉及到位于失真邊帶的頻帶時，這些雜散信號均會成為問題。在這種情況下，在開發(fā)過程中必須謹(jǐn)慎地管理通道之間的匹配特性。如果系統(tǒng)性能目標(biāo)是10 bit ENOB，而且鏡像雜散信號是主要因素，那么增益匹配誤差必須優(yōu)于0.1%，相位匹配誤差必須優(yōu)于0.07°(2ps @100 MHz)！為達(dá)到這個性能等級，從實(shí)現(xiàn)的角度考慮，必須減少或消除許多不同的誤差源。

每個ADC的模擬輸入和時鐘輸入的印制線尺寸必須匹配以保證傳播時延在預(yù)算等級之內(nèi)。雖然時鐘電路功能很簡單，但它也會引入影響系統(tǒng)性能的誤差。與現(xiàn)有的ECL制造工藝相比，先進(jìn)的工藝，例如硅鍺RSECL（低擺幅ECL）工藝能夠在信號上升、下降時和傳播時延方面提供很大改進(jìn)。根據(jù)輸入頻率，還可采取手工線路長度調(diào)整以克服孔徑延時誤差。

由于電源性能水平之間的差異，所以需要使用允許誤差小的電源，例如靠近ADC安裝的線性穩(wěn)壓器。另外，與溫度相關(guān)的性能也需要通過機(jī)械設(shè)計(jì)保證與ADC的溫度特性嚴(yán)格匹配。挑選ADC時還需要考慮以下一項(xiàng)或所有指標(biāo)的匹配：增益、失調(diào)、孔徑延遲和輸入電容。顯然，挑選四個獨(dú)立的所有關(guān)鍵性能指標(biāo)的允許誤差嚴(yán)格匹配的ADC非常困難和昂貴！必須謹(jǐn)慎權(quán)衡對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)和元件成本所增加的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)。

采用模擬調(diào)整處理方案可以在很窄的工作條件設(shè)置下與時間交織系統(tǒng)中的ADC通道之間相匹配。然而采用數(shù)字后處理方法能夠在很寬的工作條件設(shè)置下實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的通道匹配。高速、可配置數(shù)字平臺，例如現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），為集成先進(jìn)的后處理方法——例如AFB先進(jìn)的濾波器組，提供了方便的工具。

AD12400 12 bit, 400 MSPS ADC包含兩個高速ADC，并且采用時間交織方法和AFB濾波器組達(dá)到采用單個民用ADC所無法實(shí)現(xiàn)的性能(到本文寫作之日)。圖6示出寬帶動態(tài)性能數(shù)據(jù)，并且對模擬和數(shù)字調(diào)整方法做了比較。采用“手動調(diào)整”每個通道在128 MHz處的增益和相位可達(dá)到14bit的匹配程度(86 dBc)，但性能下降得非?？欤?2 bit(74 dBc)性能的帶寬僅為20 MHz。另一方面，采用數(shù)字調(diào)整方法，在170 MHz整個測試范圍內(nèi)能保持優(yōu)于12 bit性能--精心設(shè)計(jì)的數(shù)字后處理方法帶來的明顯性能優(yōu)勢。

因此，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求采樣速率高于市場上可提供的單個ADC的采樣速率時，考慮采用時間交織方法是很有價值的。如果在整個奈奎斯特頻帶內(nèi)都需要保持10～12 bit性能，那么集成解決方案，例如AD12400 和AD12500，由于成功地克服了與嚴(yán)格通道匹配要求有關(guān)的困難而發(fā)揮了時間交織方法的優(yōu)勢。

信號平均 與 時間交織

這里我們已經(jīng)總結(jié)了能夠超越當(dāng)前可提供的單個ADC具備性能的兩種方法。我們已經(jīng)給出了使用這兩種方法實(shí)現(xiàn)的可提供高性能多芯片產(chǎn)品實(shí)例。事實(shí)上，這類標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品已經(jīng)面市--解決了設(shè)計(jì)問題并且提供了標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范--足夠滿足許多客戶的需求。但是，下面的解釋對想進(jìn)一步研究使用標(biāo)準(zhǔn)的單個ADC或多通道非配置ADC提高性能應(yīng)用領(lǐng)域的用戶有所裨益。

比較拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的常用衡量指標(biāo)是SNR。假設(shè)選擇的ADC是AD9444，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要40 MHz帶寬和79 dB典型值SNR，那么我們可以考慮信號平均和時間交織。兩種方法都需要使用四個AD9444，以便比AD944固有的SNR提高5～6 dB。因?yàn)閮煞N方法在降噪方面作用相當(dāng)，因此需要進(jìn)一步權(quán)衡以體現(xiàn)典型設(shè)計(jì)的市場空間。

首先，信號平均方法沒有時間交織方法實(shí)現(xiàn)起來那么復(fù)雜。信號平均電路中四個ADC所需要的時鐘可以從一個阻性分配器、一個磁性分配器或是一個簡單的1:4扇出的時鐘分配IC獲得。時間交織的方法需要使用至少兩個D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)4分頻和90°間隔相序功能。在某些情況下，可能還需要四個附加觸發(fā)器緩沖定時信號，以保持嚴(yán)格的時序。為了實(shí)現(xiàn)提高預(yù)期的6 dB SNR目標(biāo)，時間交織方法可能需要使用數(shù)字濾波器，它要求實(shí)時乘法器和加法器（如果用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，或者還需要一些處理時間）。然而信號平均的方法只需要一個實(shí)時加法器，從而真正減少了數(shù)字邏輯電路。

每一種降噪方法的有效性也必須仔細(xì)考慮。特別是必須了解每個通道的相關(guān)噪聲和帶寬水平。因?yàn)殡S著通道間相關(guān)噪聲增加，信號平均方法的有效性會越來越低。在抖動和相位噪聲是主要噪聲源的系統(tǒng)中，存在相關(guān)噪聲的風(fēng)險(xiǎn)會影響SNR的提高。

時間交織方法實(shí)際上是在4倍帶寬范圍內(nèi)散布噪聲，然后濾除無用的120 MHz。在這種情況下，必須研究和掌握噪聲頻譜的寬帶特性。如果通道的噪聲頻譜內(nèi)容平均分布在整個160 MHz奈奎斯特頻帶，那么這種方法可以提高6 dB SNR。但是，如果噪聲分布主要集中在有用的40 MHz帶寬之內(nèi)，那么提高6 dB SNR的目標(biāo)可能無法實(shí)現(xiàn)。

比較這兩種方法的另一個重要考慮因素是頻率規(guī)劃。如果使用一種單頻系統(tǒng)，并且其輸入頻率在單ADC采樣速率(例如20 MHz)的1/4以上，則第2、第3、第4、第5、第6次諧波落在40 MHz有用頻帶之外。因此，這些高次諧波會被數(shù)字噪聲濾波器削減或?yàn)V除。此外，前面討論的鏡像雜散信號也會落在有用頻帶之外，從而被濾除。在多頻系統(tǒng)中，一些諧波成分也會落在有用帶寬之外，從而會減小系統(tǒng)的總諧波失真。

總之，信號平均方法提供了一種提高6 dB SNR的簡單方法，而時間交織方法為開發(fā)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)提供了一些值得考慮的好處。

多通道ADC系統(tǒng)的使用

多通道ADC在提高數(shù)字采集系統(tǒng)方面已經(jīng)起到了重要作用。成像系統(tǒng)通過對多路ADC進(jìn)行加和來優(yōu)化信號以提高清晰度。數(shù)字示波器制造商已經(jīng)開發(fā)了ADC時間交織方法以滿足高采樣速率的要求。其它使用頻分多址(FDMA)的接收系統(tǒng)也采用了多個ADC 通道對頻帶進(jìn)行劃分--減低對每個ADC輸入帶寬的需求，從而進(jìn)一步增大動態(tài)范圍。為了節(jié)省功耗和尺寸，采用4通道ADC和8通道ADC 多通道IC封裝的ADC越來越多，正在利用它們開發(fā)多通道系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)以提供前所未有的功能和性能。