PCB層級中時序交錯式超高速ADC解決方案

　　運(yùn)用時序交錯式類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(timeinterleavedADC)在每秒高達(dá)數(shù)十億次的同步取樣類比訊號是一個技術(shù)上的挑戰(zhàn)，除此之外，對於混合訊號電路的設(shè)計也需要非常謹(jǐn)慎小心。基本上，時序交錯的目標(biāo)是利用轉(zhuǎn)換器數(shù)目與取樣頻率相乘而不影響解析度以及動態(tài)的效能。

　　本文將探討運(yùn)用時序交錯式類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器時所出現(xiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)，并對此提供實(shí)用的系統(tǒng)設(shè)計解決方案。本文也將說明可以解決目前已知問題的創(chuàng)新元件的特色及設(shè)計技術(shù)。同時利用快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)計算法算出7GSPS速率及兩個轉(zhuǎn)換器晶片在「交錯解決方案」下的結(jié)果。最後將說明為達(dá)成高效能所需的時脈源及驅(qū)動放大器之支援電路圖應(yīng)用。

　　需要更高的取樣速度

　　何時以及為何增加取樣的頻率是具有優(yōu)勢的呢?有多個答案可以回答這個問題。基本上，類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的取樣速度會直接影響到瞬間頻寬，因?yàn)樗查g頻寬會在取樣的瞬間被數(shù)位化。根據(jù)Nyquist與Shannon的取樣定理表示，最大允許的取樣頻寬(BW)等於取樣頻率(FS)的一半。我們可以用以下的方程式表示：

　　BW=FS/2

　　速率為3GSPS的類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器能在一個取樣周期內(nèi)取樣15億赫茲的類比訊號頻譜。讓取樣速度加倍的同時也會讓Nyquist頻寬加倍成為30億赫茲。藉由時序交錯使取樣頻寬產(chǎn)生增加的結(jié)果對於很多應(yīng)用提供相當(dāng)?shù)闹妗Ｅe例來說，應(yīng)用時序交錯的無線電收發(fā)機(jī)架構(gòu)就可以增加資訊訊號載波的數(shù)目，使得系統(tǒng)資料處理能力得到提升。增加取樣頻率同時也可以改善LiDAR測量系統(tǒng)(LiDAR系統(tǒng)依循飛行時間(TOF)原理而運(yùn)作)的解析度?；旧希w行時間測量的不準(zhǔn)確度可以經(jīng)由減少有效取樣時脈周期的方式而降低。

　　數(shù)位示波器也需要較高的取樣頻率對輸入頻率(FIN)的比值，才能更精準(zhǔn)的獲得復(fù)合式類比或數(shù)位訊號。取樣頻率必須是FIN的最大值的數(shù)倍以上才能得到FIN的調(diào)和成分。舉例來說，如果在示波器取樣頻率不夠高的情況下，若較高位階的調(diào)和頻率在類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器Nyquist頻寬的范圍之外，那麼原本的方波將會變成正弦波的形式。

　　圖1：在速率3GSPS及速率6GSPS時針對247.77百萬赫茲訊號取樣的時域測量波形圖。

　　圖1所示為示波器前端加倍取樣頻率所產(chǎn)生的優(yōu)勢。取樣類比輸入訊號中速率6GSPS的取樣波形將得以更精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出來。許多其他的測試儀器系統(tǒng)，比方像是質(zhì)譜儀以及伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡都是依賴較高的過度取樣與輸入頻率的比例來達(dá)成脈沖形狀的測量。

　　增加取樣頻率還可以獲得其它的優(yōu)點(diǎn)。過度取樣的訊號也能對數(shù)位濾波的過程中得到增益有所助益?；旧希惐葦?shù)位轉(zhuǎn)換器的雜訊底部擴(kuò)散涵蓋大部分的輸出頻寬。對一個固定的輸入頻寬采用兩倍的取樣頻率進(jìn)行取樣，能在動態(tài)范圍中獲得3dB的改善。而每一次對取樣頻率進(jìn)行加倍也都能讓動態(tài)范圍額外獲得3dB的改善。

　　時序交錯所面臨的挑戰(zhàn)

　　時序交錯主要面臨的挑戰(zhàn)為頻道間做取樣時脈邊緣的精確相位校準(zhǔn)，以及在積體電路之間與生俱來的制造變數(shù)補(bǔ)償?shù)膯栴}。為了能精確的與增益匹配，各個分別類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器間的偏移量與時脈相位都將十分重要，特別是與頻率有關(guān)的參數(shù)更顯重要。除非這些參數(shù)能夠達(dá)到精確匹配，才能使動態(tài)效能與解析度得以降低。圖2所示為三個主要的錯誤來源。

　　圖2：交錯是類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器在增益、偏移量、時序上的錯誤。

　　一般而言，雙通道交錯轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)需要類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的輸入端取樣時脈產(chǎn)生1/2個時脈周期的時間平移。然而ADC083000類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)則使用晶片本身具備的交錯技術(shù)，并以時脈頻率相當(dāng)於取樣率一半的數(shù)值進(jìn)行運(yùn)作，也就是說使用1.5GHZ的頻率來對應(yīng)3GSPS的速率。因此對於采用兩組ADC083000類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的雙通道系統(tǒng)而言，類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器輸入取樣時脈邊緣必須是1/4個時脈周期的時間平移或是與其他邊緣產(chǎn)生90°的角度平移。對於頻率1.5GHZ時脈而言，相符合的數(shù)值為166.67ps.

　　時脈訊號的線路長度可以經(jīng)由計算方式精確地得到1/4個時脈周期的相位平移。在FR-4的印刷電路板材料中，訊號可以20cm/ns的速率來傳遞，即每50ps傳遞1公分的距離。舉例來說，如果到一組類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的時脈路徑比另一組長3公分以上，那麼將會產(chǎn)生150ps的相位平移。要如何精確地達(dá)到額外16.67ps的時間平移將會是要面臨到的挑戰(zhàn)。

　　ADC083000類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器具有一個整合型的時脈相位校準(zhǔn)功能，這個功能可以讓使用者在輸入取樣時脈中加入一個延遲來平移其相位以便與另外一個類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器取樣時脈建立關(guān)聯(lián)性。類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的時脈相位可以經(jīng)由內(nèi)建的兩組暫存器透過SPI匯流排進(jìn)行手動校準(zhǔn)。其中的相位平移只可能發(fā)生在一個方向上來增加延遲現(xiàn)象。設(shè)計人員需要來決定這兩組分離的類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器中的哪一組是「在前方的」，并校準(zhǔn)其相位使取樣邊緣與另一組類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的取樣邊緣端間產(chǎn)生90°的角度差。以提供Sub-picosecond等級的校準(zhǔn)解析度。

　　通道對通道的增益與偏移量匹配

　　在一個具備雙轉(zhuǎn)換器的交錯系統(tǒng)中，假設(shè)輸入訊號在第一Nyquist范圍內(nèi)時，因?yàn)橥ǖ涝鲆娌黄ヅ渌a(chǎn)生的錯誤電壓值會造成在FS/2–FIN與FS/4+/-FIN位置上的影像突波。一組8位元的轉(zhuǎn)換器擁有28或256個編碼。假使轉(zhuǎn)換器的完整輸入范圍是1V的峰值對峰值，LSB的大小會等於1V/256=3.9mV的數(shù)值。而我們也能精準(zhǔn)的計算出對於1/2LSB所需的增益匹配值為0.2%.

　　ADC083000類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的輸入端完整電壓值或增益能用9位元資料值來進(jìn)行線性及單調(diào)的校準(zhǔn)。700mVp-p的差異值可校準(zhǔn)的范圍為±20%，也就是說可校準(zhǔn)的范圍在560mVp-p到840mVp-p之間。

　　840mV–560mV=280mV

　　29=512steps.280mV/512=546.88uV

　　微調(diào)校準(zhǔn)的角度可允許超過上述的0.2%增益匹配范圍。

　　在相鄰?fù)ǖ篱g的偏移量不匹配會產(chǎn)生一個錯誤的電壓值，這將會造成在FS/2位置上的偏移量突波。由於偏移量突波是發(fā)生位於Nyquist帶的邊緣，因此雙通道系統(tǒng)的設(shè)計人員通常要規(guī)畫他們所需的系統(tǒng)頻率并將更大的心力著重於增益與相位匹配上。

　　然而，讓我們假設(shè)所需要的偏移量匹配也等於1/2的LSB基本標(biāo)準(zhǔn)值時，ADC083000類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的輸入端偏移量能透過線性及單調(diào)的校準(zhǔn)，在9位元解析度中使0偏移量增加到45mV的偏移量。因此每一組編碼位階都提供了0.176mV的偏移量，同時9位元的解析度可以協(xié)助達(dá)成1/2LSB基本標(biāo)準(zhǔn)值的精確性。

　　數(shù)位輸出的同步

　　將兩組類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的輸出資料串進(jìn)行同步有助於實(shí)現(xiàn)混合的取樣速度與頻寬。換句話說，如果在兩個獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器之間發(fā)生同步損失的話，那麼我們將無法獲得有意義的資料。數(shù)以十億計的取樣類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器「解多工」輸出資料來降低數(shù)位輸出資料的速率。使用者可以依據(jù)所采用的FPGA技術(shù)對於資料處理的能力來選擇用2或4的資料速率來「解多工」。

　　輸出擷取時脈(DCLK)也可以被分割并設(shè)定為SDR或是DDR模式。然而對於解多工的方案，由於在每一個類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的輸入取樣時脈與輸出擷取時脈間的聯(lián)系，這使得整個系統(tǒng)存在一些不確定的因素，因此設(shè)計人員需要考量更多。為了解決這個問題，ADC083000類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器有能力藉由使用者供應(yīng)的DCLK_RST脈沖，來精確的重置其取樣時脈輸入到輸出擷取時脈輸出之間的關(guān)系。這項(xiàng)能力能夠讓系統(tǒng)中多個類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器同時擁有各自的輸出擷取時脈(以及資料)輸出轉(zhuǎn)換，并且可以共同分享輸入時脈以便進(jìn)行取樣，同時，這將使得多個類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器之間的同步可以達(dá)成。

　　數(shù)位交錯技術(shù)

　　類比校正法是一種已被證實(shí)能傳遞高動態(tài)范圍、具備整合能力的解決方案，這個解決方案具備整合性時脈相位、增益與偏移量校準(zhǔn)的功能，且已被證明能提供高精確度。

　　除了類比校正技術(shù)之外，還有其他幾種可行的方法，舉例而言像是數(shù)位校正演算法也可用來處理交錯資料。這幾種處理方法都能在不需要任何類比偏移量、增益或是相位校正的前提下，能校正資料轉(zhuǎn)換器中數(shù)位不匹配的問題。在理想狀態(tài)上，這些演算法都不需要對輸入訊號做任何校正或是先有基礎(chǔ)的觀念就能夠獨(dú)立運(yùn)作。除此之外，在數(shù)位偏移量、增益及相位校準(zhǔn)所需的時間則是系統(tǒng)最重要的運(yùn)算因子。

　　由SP元件公司所發(fā)展的數(shù)位後制處理引擎(這也是一套演算法)就能滿足上述的這些需求。SP元件公司的自動數(shù)據(jù)交換(ADX)技術(shù)，在不需特殊校正訊號或後期制作整理的條件下，會持續(xù)提供類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器在增益、偏移量與時間偏移錯誤的估算。而這種演算法已經(jīng)應(yīng)用於修正靜態(tài)與動態(tài)上不匹配錯誤的問題。

　　ADX技術(shù)能估算錯誤并依據(jù)所有不匹配錯誤來重建訊號。IP核心的錯誤校正演算法，能在不限輸入訊號型式的前提下有效的執(zhí)行。數(shù)位訊號處理的結(jié)果為ADX核心之外的時序交錯頻譜在與交錯失真突波相關(guān)處不會出現(xiàn)明顯的不匹配錯誤。