Giga ADC 介紹及雜散分析

摘要

Giga ADC 是 TI 推出的采樣率大于 1GHz 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品系列，主要應(yīng)用于微波通信、衛(wèi)星通信以及儀器儀表。本文介紹了 Giga ADC 的主要架構(gòu)以及 ADC 輸出雜散的成因分析，以及優(yōu)化性能的主要措施。

1、Giga ADC 架構(gòu)及 TI 的 Giga ADC

1.1 Giga ADC 架構(gòu)演進(jìn)

Giga ADC 目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、儀器儀表、雷達(dá)和衛(wèi)星通信系統(tǒng);隨著采樣速率和精度的進(jìn)一步提高，越來越多的無線通信廠商開始考慮使用 Giga ADC 實(shí)現(xiàn)真正的軟件無線電。軟件無線電不僅可以簡化接收通道設(shè)計(jì)，同時可以方便不同平臺的移植和升級，從而降低開發(fā)成本和周期。

Figure 1 列出了在使用各種采樣架構(gòu)下，采樣精度和采樣速率之間關(guān)系。隨著技術(shù)和工藝的發(fā)展，各種架構(gòu)可以支持的采速率在不斷的提升，但就目前的水平來看，要實(shí)現(xiàn) 1Gpbs 以上的采樣率，必須采用 Flash 或者折疊(Folding)架構(gòu)。

這主要是因?yàn)樵谄渌軜?gòu)中，都采用了反饋環(huán)路;這些反饋環(huán)路的傳輸延時限制了 ADC 速率的進(jìn)一步提升。例如在 pipeline 中，每一級都有一個 DAC，用于把本級的數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換成模擬信號，反饋給本級的模擬輸入，取差以后放大輸出給下一級。類似的限制也存在于 Subranging 或者 multi-step 架構(gòu)中，都需要一個反饋環(huán)路輔助判決。

另一方面，雖然目前業(yè)界最快的 ADC 架構(gòu)是 Flash 架構(gòu)，但一個 N bit 的 flash ADC 需要2N-1 個比較器，當(dāng) N>= 8 時，比較器的數(shù)量將會非常龐大;而且隨著轉(zhuǎn)換精度的增加，后端的譯碼邏輯也會變得異常復(fù)雜;這些都會對芯片的體積和功耗造成很大的影響。

所以在 TI 的 Giga ADC 中，采用了折中的折疊(folding)架構(gòu)。事實(shí)上，折疊是和 flash 類似的架構(gòu)，不同的是，在折疊架構(gòu)中，輸入信號分別通過了粗分 ADC 和折疊電路+細(xì)分 ADC;折疊電路的理想傳輸特性為三角狀循環(huán)的折疊信號。以一個 8bit ADC 為例，粗分 ADC 輸出 3bit，細(xì)分 ADC 輸出5bit。如 Figure 2 和 Figure 3 所示，折疊電路共折疊了 8 次，將滿量程的輸入范圍等分為 8 段，分別對應(yīng) 3 位粗分 ADC 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的高位 bit(MSB);同時對上述折疊電路輸出信號進(jìn)行 5 位細(xì)化轉(zhuǎn)換得到低位 bit(LSB);最后高、低位數(shù)字碼合起來組成 8 位的數(shù)字輸出。

1.2 TI Giga ADC 產(chǎn)品介紹

TI 在過去的十年當(dāng)中，利用創(chuàng)新的 ADC 架構(gòu)和工藝技術(shù)，不斷的刷新業(yè)界 Giga ADC 的采樣速率和轉(zhuǎn)換精度，最新的產(chǎn)品已經(jīng)可以達(dá)到 5Gbps @ 7.6bit(LM97600)和 4Gpbs @ 12bit(ADC12D2000RF)。Figure 4 是目前 TI 全系列的 Giga ADC 產(chǎn)品：

2、TI Giga ADC 架構(gòu)介紹

本章節(jié)中將詳細(xì)討論 Giga ADC 的各個功能模塊。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者一般都會采用 Folding + interpolation + calibration 的架構(gòu)，用于進(jìn)一步簡化設(shè)計(jì)，降低功耗和提高精度。

上圖是一個典型的 folding-interpolation 架構(gòu)的 Giga ADC 框圖。在這類 ADC 中，為了解決模擬輸入端的匹配誤差和輸入偏置誤差，集成了一個校準(zhǔn)信號源，在不需要外部輸入的情況下，實(shí)現(xiàn)芯片的前臺校準(zhǔn)，使芯片達(dá)到最大性能。除此之外，還包括輸入的 buffer，采保電路，foldinginterpolation 電路以及比較器、encoder 和 LVDS 輸出電路。

2.1 Input mux

在 Figure 5 中可以看到，為了盡可能的把輸入鏈路上所有器件包含到校準(zhǔn)環(huán)路中，校準(zhǔn)信號的輸入開關(guān)加在了輸入電路的最 F 前端。這對開關(guān)電路的線性和帶寬提出了很高的要求。在 TI 的 Giga ADC電路中，采用了 constant Vgst NMOS pass-gate 電路，這種電路不僅寬頻帶內(nèi)導(dǎo)通電阻穩(wěn)定不變，失真小，而且功耗低。

電路校準(zhǔn)只在器件上電或者器件工作溫度發(fā)生明顯變化的時候才會發(fā)起，輸入校準(zhǔn)開關(guān)也只在這個時候才會導(dǎo)通。

2.2 Interleaved T/H

在高速 ADC 設(shè)計(jì)中，為了達(dá)到更高的采樣速率，采用了 interleaved 的架構(gòu)，即一個模擬輸入，輸入到兩個相同的 ADC 中，但這兩個 ADC 的采樣速率相同，相位相反;最后芯片的數(shù)字部分把兩路 ADC 的輸出信號重新整合，達(dá)到了相對于每路 ADC 兩倍的采樣速率。將采樣保持電路放在第一級 buffer 之后，主要是因?yàn)檫@一級 buffer 降低了輸入信號的負(fù)載和 kickback 噪聲，方便寬帶匹配;同時降低了采保電路的工作頻率，使得采保電路和第二級 buffer 的設(shè)計(jì)和功耗大大簡化。

需要注意的是，在 interleaved 架構(gòu)中，兩路采樣保持電路和 buffer 的偏置和增益誤差，以及兩路采樣時鐘之間的相位誤差，都會給整個 ADC 系統(tǒng) SNR 帶來很大的影響。在設(shè)計(jì)中，兩路電路采用了完全鏡像的設(shè)計(jì)，同時兩路電路都在校準(zhǔn)環(huán)路里，有效的降低了這些誤差帶來的性能惡化。

2.3 Preamplifier

預(yù)放大電路處于采保電路之后，比較器之前，包括第二級輸入 buffer，折疊內(nèi)插電路等。預(yù)放大電路的主要功能包括:輸入信號的放大，以降低電路偏置誤差對性能的影響;輸入信號的折疊處理，將輸入信號通過折疊電路分成若干部分，從而降低比較器的個數(shù);通過內(nèi)插電路增加信號過零點(diǎn)，減少折疊電路模塊。

2.3.1 第二級輸入 buffer

第二級輸入 buffer 的主要作用就是要把采保電路輸出的偽差分信號通過差分放大器轉(zhuǎn)換成真正的差分信號，以達(dá)到更好的電源抑制比和方便后級處理。第二級 buffer 輸出的差分信號分成兩路，一路輸出給粗分轉(zhuǎn)換電路，用于判決輸入信號處于那一個折疊區(qū);一路輸出給細(xì)分轉(zhuǎn)換電路，輸出具體的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

2.3.2 折疊電路

Figure 8 為一種實(shí)際折疊電路及其直流傳輸特性。Figure 8(a)中，輸入信號 Vin 和 5 個量化參考電平 Va 、Vb 、Vc 、Vd 和 Vf ;5 個源極耦合對的漏極交替連接，通過負(fù)載電阻 R1 和 R2 的 I/V變換，形成一對 5 倍折疊(折疊率 F = 5)的差分折疊信號 Vo + 與 Vo - ，如 Figure 8(b)所示。Figure 8(b)中，直流傳輸特性上差分輸出為零的點(diǎn)稱為過零點(diǎn)?？梢?，除了過零點(diǎn)附近，實(shí)際折疊電路的傳輸特性存在著一定的非線性區(qū)域。為解決非線性區(qū)域上輸入信號的量化問題，可采用兩個具有一定相位差的折疊信號，如 Figure 9 所示。它們之間的相位差保證了各自的非線性區(qū)域相互錯開。

當(dāng)一個折疊輸出信號不是在線性區(qū)域范圍內(nèi)時，另一個折疊輸出信號恰好在線性區(qū)域內(nèi)，反之亦然。這種方法可以推廣到相位差更小的一組折疊信號的情況，以減小非線性區(qū)域的影響。直至，相鄰折疊信號的過零點(diǎn)只相距一個量化單位(LSB)時，每個與折疊電路連接的比較器只需檢出過零點(diǎn)。此時，折疊結(jié)構(gòu) ADC 不再要求折疊信號的線性區(qū)域范圍，只要求過零點(diǎn)的精度。

在折疊電路設(shè)計(jì)中，一級折疊電路折疊率不宜過高，這主要是因?yàn)?，如果一級折疊率過高，那么這么多輸出通過長的走線連接到一起輸出給下一級比較器，寄生電容對于后級的影響變得不可忽略。在TI 的 Giga ADC 中，一般采用多級折疊電路級連的方式，例如，如果要實(shí)現(xiàn)一個折疊率為 9 的電路，采用了兩級折疊級連，每級的折疊率是 3 ，如 figure10 所示。

2.3.3 內(nèi)插電路

直接利用折疊電路來產(chǎn)生所有2N個過零點(diǎn)，ADC 的功耗與輸入電容都很大。通常的解決辦法是采用折疊-內(nèi)插結(jié)構(gòu)，如 Figure11 所示。每兩個折疊電路的輸出之間連接一個插值電阻串，利用插值電阻的分壓作用得到兩個折疊電壓信號之間的插值電壓。每個插值節(jié)點(diǎn)作為輸出，插值的數(shù)目稱為內(nèi)插率 I;Figure11 是當(dāng) I=4 的內(nèi)插結(jié)果，兩側(cè)為原始的由折疊電路產(chǎn)生的折疊信號，夾在其間的 3個信號是被節(jié)省的、由內(nèi)插電路產(chǎn)生的折疊信號。這樣，通過 4 倍的內(nèi)插，每 4 個折疊信號可以節(jié)省 3 個折疊電路。

通過折疊內(nèi)插電路的波形如下圖所示：

2.3.4 平均電路

前面提到，影響電路精度的主要誤差是差分信號的偏置誤差。降低差分電路的偏置誤差可以增加晶體管的面積。但由于在折疊電路中，偏置誤差不僅僅來自于差分電路，折疊電路中其它飽和支路的輸出電流也增加了整個電路的偏置誤差，簡單的增加電路晶體管面積并不能有效的降低誤差。由于各個放大電路的偏置誤差是不相關(guān)的，這里采用了迭代的技術(shù)，使某一輸出節(jié)點(diǎn)的偏置誤差不僅僅取決于本身放大電路，還和相鄰其它并行放大電路輸出有關(guān)，偏置誤差通過放大電路輸出的迭代而隨機(jī)化，降低了整個電路的偏置誤差。

2.4 校準(zhǔn)電路

前面提到的各種設(shè)計(jì)電路有效的提高了 ADC 的線性性能和帶寬，但在 TI Giga ADC，仍然集成了校準(zhǔn)電路，用以進(jìn)一步優(yōu)化 ADC 的性能。這部分校準(zhǔn)電路包括 27 個高精度校準(zhǔn)電壓，采用輪詢的方式依次輸入到輸入級的開關(guān)，并根據(jù)校準(zhǔn)信號的輸出結(jié)果通過 DAC 調(diào)整預(yù)放大電路的偏置電流，達(dá)到校準(zhǔn)修正的結(jié)果。

通過 Figure5 可以看到，輸入級的 MUX 開關(guān)，采保電路，輸入 buffer 的偏置誤差以及折疊電路的偏置誤差等包括在校準(zhǔn)環(huán)路里，通過校準(zhǔn)不僅僅提高了放大電路的線性，而且提高了系統(tǒng)在interleave 模式下兩路 ADC 之間的一致性，改善了系統(tǒng)的雜散性能。

3、Giga ADC 雜散的分析

ADC 應(yīng)用中，輸出的雜散信號決定了 ADC 的動態(tài)范圍。在傳統(tǒng)的流水線 ADC 中，起決定作用的主要是諧波雜散，即輸入信號的二次、三次或更高次諧波混疊進(jìn)入第一個 Nyquist 區(qū)。除此以外， GigaADC 的 interleave 架構(gòu)帶來了其它雜散。如前文說提到的，為了達(dá)到更高的采樣速率，每路 ADC 實(shí)際包括兩個子 ADC，這兩個子 ADC 工作在 interleave 模式下。在這種情況下，兩路子 ADC 之間的失配將會產(chǎn)生新的雜散信號?？傮w來說，Giga ADC 的雜散主要分為三類雜散信號：1)interleave 雜散;2) 固定頻點(diǎn)雜散; 3)和輸入信號相關(guān)的雜散。

3.1 Interleave 相關(guān)的雜散

Interleave 模式，如 Figure7 所示，就是相同的輸入信號，輸入到兩個(或 N 個)采樣率相同，但采樣時鐘相位相反(或相差 2π/N)的 ADC 中，從而達(dá)到采樣率增倍的目的。但由于兩路 ADC 不可能完全一致，存在一些失配，從而導(dǎo)致了一些輸出雜散的生成。這些失配包括偏置誤差、增益誤差以及采樣時鐘的相位誤差。

這里假定：

N：一路 ADC 中包含的子 ADC 個數(shù)

Fin： 輸入有用信號

Fnoise： 輸出的雜散信號

Fs：ADC 采樣時鐘

3.1.1 輸入偏置誤差

從 Figure13 可以看出，輸入偏置誤差帶來的雜散和輸入信號的幅度和頻率沒有關(guān)系，從頻域上看，均勻的分布在第一 Nyquist 區(qū)。由輸入偏置帶來的雜散固定的分布在公式一給出的各個頻點(diǎn)。

3.1.2 輸入增益誤差

采樣時鐘的相位誤差和輸入增益誤差帶來的雜散位置相同，但相位誤差輸出的雜散和輸入頻率有關(guān)，當(dāng)輸入頻率越高，誤差越大;而偏置誤差和增益誤差帶來的雜散和輸入頻率無關(guān)。

3.2 固定頻點(diǎn)雜散

相對于 interleave 雜散，固定頻點(diǎn)雜散和輸入信號的頻點(diǎn)無關(guān)，主要取決與系統(tǒng)時鐘，ADC 及子 ADC的采樣時鐘，數(shù)據(jù)輸出的隨路時鐘以及系統(tǒng)中其他時鐘源的耦合干擾。固定頻點(diǎn)雜散因?yàn)槲恢霉潭?，?yīng)用中很容易預(yù)判這些雜散，從而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中規(guī)避這些雜散存在的頻點(diǎn)。

3.2.1 采樣時鐘雜散

如 Figure 16 所示，當(dāng)四個 ADC 工作在 interleave 模式下，四個 ADC 的采樣率都是 Fclk，但相位相差 90 度，這樣整個 ADC 通道的實(shí)際采樣率為 4*Fclk;輸出的頻譜中，在 Fclk 頻點(diǎn)處有一個固定的采樣時鐘雜散。這個主要是時鐘的泄露，采樣時鐘從芯片內(nèi)部或板上耦合到數(shù)據(jù)的輸出。

3.2.2 數(shù)據(jù)輸出的隨路時鐘

在 Giga ADC 中，數(shù)據(jù)的輸出是并行 LVDS 總線;同時這些總線可以 1:2 Demux 或者 Non-demux;在Non-demux，數(shù)據(jù)速率和采樣速率是一致的;在 Demux 模式下，數(shù)據(jù)速率降低一倍，但數(shù)據(jù)總線增加一倍。同時，Giga ADC 數(shù)據(jù)輸出的隨路時鐘可以是 DDR 或 SDR， 如下圖所示。在 Demux 和 DDR 同時使能的情況下，隨路時鐘 DCLK 只是采樣時鐘的 1/4，這個時鐘雜散可能出現(xiàn)在 Fs/4 的地方。

3.3 和輸入相關(guān)的雜散

前面提到，和輸入相關(guān)的雜散主要是輸入信號的奇偶次諧波混疊進(jìn)入 ADC 的第一 Nyquist 區(qū)。這類雜散主要通過外部的抗混疊濾波器加以濾除以及信號輸入端的匹配，差分兩端的平衡來優(yōu)化。這類雜散在傳統(tǒng)的 ADC 中已經(jīng)討論很多，這里就不再贅述。

3.4 雜散信號的優(yōu)化

為了達(dá)到最佳的輸出雜散性能，在 Giga ADC，主要采用了校準(zhǔn)環(huán)路，來優(yōu)化輸入電路的偏置誤差、增益誤差。如下圖所示，在校準(zhǔn)前后，ADC 的性能可以優(yōu)化 10dBc 以上。

同時，當(dāng) Giga ADC 工作在 DES mode，兩路采樣時鐘間的 skew對于 Fs/2- fin 的雜散非常重要;芯片提供了兩路采樣時鐘的 skew調(diào)整功能，可以通過寄存器的配置來降低 Fs/2 – fin 的雜散，如下圖所示。

除此之外，ADC 的外部輸入電路設(shè)計(jì)也需要盡量優(yōu)化，確保兩路差分電路的平衡一致，阻抗的匹配。Giga ADC 提供了 DESI，DESQ，DESIQ，DESCLKIQ 等幾種 DES 模式下輸入結(jié)構(gòu);綜合輸入平坦度，插入損耗和最終的 ADC 性能測試結(jié)果，DESIQ 模式的性能最佳，并且推薦采用多層 Balun 和以下的輸入電路。

4、結(jié)論

本文主要介紹了 TI Giga ADC 采用的架構(gòu)，通過這一先進(jìn)的架構(gòu)，TI 實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最高采樣率的12bit/10bit ADC,并被廣泛使用到了衛(wèi)星、雷達(dá)、微波等通信領(lǐng)域。同時本文也分析介紹了 Giga ADC 中的輸出雜散的形成原因，以及相應(yīng)的優(yōu)化措施。

5、參考資料

[1] ADC08D1520 Datasheet

[2] “Explicit Analysis of Channel Mismatch Effects in Time-Interleaved ADC Systems”, Naoki Kurosawa, etc. 2001, IEEE

[3] “A 1.8-V 1.6-GSample/s 8-b Self-Calibrating Folding ADC With 7.26 ENOB at Nyquist Frequency”, Robert C. Taft, etc. 2004, IEEE