Giga ADC 介紹及雜散分析(上)

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(lái)越多的無(wú)線通信廠商開(kāi)始考慮使用Giga ADC實(shí)現(xiàn)真正的軟件無(wú)線電。軟件無(wú)線電不僅可以簡(jiǎn)化接收通道設(shè)計(jì)，同時(shí)可以方便不同平臺(tái)的移植和升級(jí)，從而降低開(kāi)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(lái)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(shí)限制了ADC速率的進(jìn)一步提升。例如在pipeline中，每一級(jí)都有一個(gè)DAC，用于把本級(jí)的數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，反饋給本級(jí)的模擬輸入，取差以后放大輸出給下一級(jí)。類似的限制也存在于Subranging或者multi-step架構(gòu)中，都需要一個(gè)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(gè)N bit的flash ADC需要2N-1個(gè)比較器，當(dāng)N>= 8時(shí)，比較器的數(shù)量將會(huì)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(huì)變得異常復(fù)雜；這些都會(huì)對(duì)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(hào)分別通過(guò)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(hào)。以一個(gè)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(duì)應(yīng)3位粗分ADC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的高位bit（MSB）；同時(shí)對(duì)上述折疊電路輸出信號(hào)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(lái)組成8位的數(shù)字輸出。

對(duì)于一個(gè)8bit ADC，采用折疊電路架構(gòu)所需要的比較器個(gè)數(shù)為（m = 3，n = 5）；如果采用flash架構(gòu)，則需要比較器的個(gè)數(shù)為。顯而易見(jiàn)，采用折疊架構(gòu)大大降低了比較器的個(gè)數(shù)。

1.2 TI Giga ADC產(chǎn)品介紹

TI在過(guò)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(gè)功能模塊。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者一般都會(huì)采用Folding + interpolation + calibration的架構(gòu)，用于進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低功耗和提高精度。

上圖是一個(gè)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(gè)校準(zhǔn)信號(hào)源，在不需要外部輸入的情況下，實(shí)現(xiàn)芯片的前臺(tái)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(hào)的輸入開(kāi)關(guān)加在了輸入電路的最F前端。這對(duì)開(kāi)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(shí)候才會(huì)發(fā)起，輸入校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)也只在這個(gè)時(shí)候才會(huì)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(gè)模擬輸入，輸入到兩個(gè)相同的ADC中，但這兩個(gè)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(hào)重新整合，達(dá)到了相對(duì)于每路ADC兩倍的采樣速率。將采樣保持電路放在第一級(jí)buffer之后，主要是因?yàn)檫@一級(jí)buffer降低了輸入信號(hào)的負(fù)載和kickback噪聲，方便寬帶匹配；同時(shí)降低了采保電路的工作頻率，使得采保電路和第二級(jí)buffer的設(shè)計(jì)和功耗大大簡(jiǎn)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(shí)鐘之間的相位誤差，都會(huì)給整個(gè)ADC系統(tǒng)SNR帶來(lái)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(shí)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(lái)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(jí)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(hào)的放大，以降低電路偏置誤差對(duì)性能的影響；輸入信號(hào)的折疊處理，將輸入信號(hào)通過(guò)折疊電路分成若干部分，從而降低比較器的個(gè)數(shù)；通過(guò)內(nèi)插電路增加信號(hào)過(guò)零點(diǎn)，減少折疊電路模塊。

2.3.1第二級(jí)輸入buffer

第二級(jí)輸入buffer的主要作用就是要把采保電路輸出的偽差分信號(hào)通過(guò)差分放大器轉(zhuǎn)換成真正的差分信號(hào)，以達(dá)到更好的電源抑制比和方便后級(jí)處理。第二級(jí)buffer輸出的差分信號(hào)分成兩路，一路輸出給粗分轉(zhuǎn)換電路，用于判決輸入信號(hào)處于那一個(gè)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(hào)Vin和5個(gè)量化參考電平Va、Vb、Vc、Vd和Vf；5個(gè)源極耦合對(duì)的漏極交替連接，通過(guò)負(fù)載電阻R1和R2的I/V變換，形成一對(duì)5倍折疊（折疊率F = 5）的差分折疊信號(hào)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(guò)零點(diǎn)?？梢?jiàn)，除了過(guò)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(hào)的量化問(wèn)題，可采用兩個(gè)具有一定相位差的折疊信號(hào)，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(cuò)開(kāi)。