ADC最佳方案的選擇及其發(fā)展趨勢

引言
高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的性能特性對整個(gè)信號(hào)處理鏈路的設(shè)計(jì)影響巨大。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在考慮ADC對基帶影響的同時(shí)，還必須考慮其對射頻(RF)及數(shù)字電路系統(tǒng)的影響。充分了解高速ADC領(lǐng)域的最新進(jìn)展對元器件選擇至關(guān)重要。
市場對高性能ADC有著強(qiáng)大的需求。雖然通信、成像、汽車和儀表市場用戶群之間差異很大，但是低功耗已經(jīng)成為用戶共有的主要要求。此外，就是在實(shí)現(xiàn)低功率的同時(shí)還要具有高分辨率、高速度和高性能。本文通過介紹兩個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域的情況來進(jìn)一步闡述這一重要趨勢。

WCDMA基礎(chǔ)設(shè)施要求
高速ADC在第三代(3G)和WCDMA基站的接收(Rx)與發(fā)送(Tx)通路中都發(fā)揮著重要作用。雖然前一代設(shè)計(jì)廣泛采用功耗超過1500mW的高功率ADC，但整個(gè)業(yè)界都存在一種趨勢，即采用具有高性能的小功率ADC。在需要密集的微型基站和微微型基站網(wǎng)絡(luò)以保持服務(wù)質(zhì)量的城區(qū)尤其如此。除了需要小功率之外，這些小型基站還對核心元器件的熱耗散有額外限制。有限的系統(tǒng)散熱能力常常成為實(shí)現(xiàn)高密度的瓶頸。要實(shí)現(xiàn)有競爭優(yōu)勢的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就需要在降低工作溫度的同時(shí)又具有高性能的小功率ADC。
由于最終客戶的要求不同，不同的制造商所選擇的Rx通路架構(gòu)也大相徑庭。下一代設(shè)計(jì)的趨勢將是通過直接在中頻(IF)采樣，用單個(gè)Rx通路支持多通道傳輸。這種架構(gòu)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比對ADC的要求要高得多?？紤]到多載波頻率規(guī)劃情況，在14位分辨率時(shí)通常需要65Msps或80Msps的采樣率。因?yàn)镮F頻率常常在70MHz至140MHz范圍內(nèi)，所以好的欠采樣性能也是必需的。
WCDMA基站的Tx通路中也需要高性能ADC。在Tx通路中，輸出功率放大器(PA)的非線性是提高系統(tǒng)級(jí)性能的重要瓶頸。在前一代設(shè)計(jì)中，通常采用諸如前饋等全模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)PA線性化。而下一代設(shè)計(jì)的趨勢是通過用快速反饋通路對PA的輸入進(jìn)行數(shù)字化預(yù)失真來補(bǔ)償其非線性。在很多情況下，用來數(shù)字化PA輸出的ADC的性能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)性能的關(guān)鍵所在。
盡管主流WCDMA基站通常在12位分辨率時(shí)要求125Msps的采樣率，但PA線性化所需的采樣率取決于要數(shù)字化的載波數(shù)以及該線性化有效性的頻率范圍。為減少射頻輸出下變頻所需的階數(shù)，目前的趨勢是以更高的IF采樣。由于目前IF在100MHz至200MHz范圍內(nèi)已很普遍，所以ADC必需具有卓越的欠采樣性能。
這種應(yīng)用的一個(gè)重要衡量指標(biāo)是ADC同時(shí)數(shù)字化多個(gè)WCDMA調(diào)制載波時(shí)的相鄰?fù)ǖ佬孤┞?ACLR)。ACLR的測量結(jié)果反映的是該ADC在靠近每個(gè)載波邊緣頻率上的信噪比(SNR)以及其互調(diào)失真。這種測量常常被視為判定某特定ADC可否用于PA線性化的關(guān)鍵測試。

HDTV基礎(chǔ)設(shè)施要求
HDTV廣播等新型媒體的出現(xiàn)也增加了對高性能ADC的需求。從內(nèi)容建立到內(nèi)容提供，小功率高速ADC都是其基礎(chǔ)設(shè)施中的關(guān)鍵元器件。
在內(nèi)容建立方面，需要小功率高動(dòng)態(tài)范圍的ADC支持高清(HD)分辨率的新型專業(yè)廣播攝像機(jī)。從更廣泛的應(yīng)用范圍來看，高性能ADC在面向?qū)I(yè)、工業(yè)、汽車和軍事市場的高速、高分辨率成像產(chǎn)品中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。與采用低成本高集成度解決方案的消費(fèi)類產(chǎn)品不同，這些高端成像應(yīng)用需要具有極佳性能的獨(dú)立ADC，而且其性能在較寬的工作條件范圍內(nèi)要有保證。這些應(yīng)用中采用的傳感器器件，如電荷耦合器件(CCD)、紅外線(IR)和光電二極管等，本身就具有很大的動(dòng)態(tài)范圍。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的難題在于如何選擇用于模擬信號(hào)鏈路的元器件，如濾波器、放大器和ADC等，以使檢測器件的寬動(dòng)態(tài)范圍不會(huì)受損。
隨著成像器技術(shù)的進(jìn)步，雖然目前很多HD和標(biāo)清(SD)攝像機(jī)的分辨率限制在12位，但整個(gè)業(yè)界正在推動(dòng)采用這兩種標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品升級(jí)到14位分辨率。根據(jù)不同的CCD分辨率，SD需要25Msps ADC，而HD需要80Msps ADC。但功耗對由電池供電的移動(dòng)攝像機(jī)而言至關(guān)重要，而且3個(gè)CCD的產(chǎn)品至少需要3個(gè)ADC，所以在實(shí)現(xiàn)14位分辨率的同時(shí)必須最大限度地降低功耗。
在內(nèi)容提供方面，需要新型基礎(chǔ)設(shè)施來滿足HDTV發(fā)射的需求。除了用于發(fā)送器和接收器的傳統(tǒng)基本構(gòu)件外，地面HDTV廣播還需要一個(gè)安置于整個(gè)覆蓋區(qū)內(nèi)的無線中繼站和同頻中繼器網(wǎng)絡(luò)。與用于WCDMA的微型基站和微微型基站一樣，這些系統(tǒng)需要小型、小功率ADC來實(shí)現(xiàn)有競爭優(yōu)勢的設(shè)計(jì)。
此外，空間HDTV廣播可用頻譜有限，因此必須用高速、高帶寬ADC以滿足靈活的頻率規(guī)劃需求。采樣率取決于同時(shí)處理的相鄰?fù)ǖ罃?shù)，在12位分辨率時(shí)，數(shù)字化8個(gè)帶寬為6MHz的通道一般需要高于100Msps的采樣率。由于射頻傳輸頻帶大約在500MHz至700MHz之間，所以任何對射頻信號(hào)直接采樣的方法都必須在極高的頻率上保持良好的通帶平坦度和失真性能。這對小功率ADC而言可能十分苛刻，因?yàn)榧词故枪某^1000mW的大功率ADC，其失真性能在高于幾百M(fèi)Hz的頻率上都極少能達(dá)到實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。因此，就HDTV廣播基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步發(fā)展而言，具有極好欠采樣性能的小功率ADC是關(guān)鍵所在。

怎樣選擇高速ADC
除了上文提及的用戶特定需求之外，在選擇高性能ADC時(shí)，速度容限是必須考慮的因素之一。用戶一般根據(jù)其系統(tǒng)的標(biāo)稱采樣率來選擇ADC的速度。不過，在很多實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)中存在的一些缺陷可能給時(shí)鐘占空比帶來意想不到的變化。例如，在密集的多通道系統(tǒng)中，PCB兩端ADC的時(shí)鐘占空比差別可能高達(dá)5~10%。由于任何偏離50% 的占空比實(shí)際上都?jí)嚎s了時(shí)鐘的一個(gè)相位，而ADC階數(shù)的改變將會(huì)產(chǎn)生更高的采樣率。這種情況也經(jīng)常出現(xiàn)在很多成像應(yīng)用中，這類應(yīng)用依靠非50% 的占空比時(shí)基來實(shí)現(xiàn)抗噪聲方案，如相關(guān)的二重采樣等。在相對于規(guī)定采樣率沒有充足容限的ADC上，這些變化將導(dǎo)致模擬電路不能完全穩(wěn)定，結(jié)果，用戶可能在ADC輸出中看到不希望發(fā)生的變化，如失真性能大幅下降等。
對這種可能的隱患，最好的防御方法是選擇一個(gè)為在額定速度工作而對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了保守規(guī)定的ADC。在實(shí)際選擇中可以通過對不同ADC的SNR和無寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)性能隨采樣率增大而變化的數(shù)據(jù)表曲線進(jìn)行比較。當(dāng)采樣率增大時(shí)，曲線越平，該器件的速度容限就越大。如果該曲線只延伸到ADC的額定速度處，用戶就應(yīng)該特別小心，因?yàn)檫@表示在時(shí)基容限超出標(biāo)稱速度時(shí)會(huì)有大幅下降的風(fēng)險(xiǎn)。有很多器件只是簡單地通過降低速度容限來實(shí)現(xiàn)小功率，這類器件在要求較高的工作條件下性能不可能可靠。
另一個(gè)對很多無線通信系統(tǒng)來說必須考慮的因素是在低輸入信號(hào)電平時(shí)的失真性能。多數(shù)無線傳輸信號(hào)到達(dá)ADC時(shí)，信號(hào)電平都遠(yuǎn)低于其全標(biāo)度輸入范圍。信號(hào)鏈路的前端增益設(shè)計(jì)是為確保多路傳輸?shù)墓β释瑫r(shí)累加在ADC輸入時(shí)不發(fā)生壓縮。就用戶而言，所面臨的問題是幾乎所有高速ADC都是對接近全標(biāo)度的單個(gè)輸入電平(如-1dB條件下)保證其SFDR性能。因此，在多個(gè)輸入電平的情況下，要測試和保證這一數(shù)值代價(jià)高昂。而大多數(shù)數(shù)據(jù)表在較寬的輸入幅度范圍內(nèi)給出典型SFDR，用戶應(yīng)該仔細(xì)觀察這條曲線，在低輸入幅度上任何大的步進(jìn)都表明在ADC轉(zhuǎn)移函數(shù)中存在系統(tǒng)的非線性，而這種內(nèi)部非線性源的影響常常隨著溫度變化而變化，因此用戶應(yīng)該在整個(gè)溫度范圍內(nèi)仔細(xì)評(píng)估這類特性。因?yàn)檗D(zhuǎn)移函數(shù)線性度與低輸入電平失真緊密相關(guān)，所以一個(gè)對最大積分非線性(INL)有嚴(yán)格保證的ADC往往在低輸入幅度時(shí)具有更穩(wěn)定的失真性能。
解決方案尺寸也是一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)楹芏嘈」β蔄DC都是用于便攜式或多通道系統(tǒng)，為了響應(yīng)用戶的這些需求，很多ADC制造商都推出了采用QFN等小型扁平IC封裝的器件。雖然采用這類封裝降低了ADC本身所需的面積，但實(shí)際上整個(gè)解決方案所占的總面積可能比該封裝本身要大得多。這是因?yàn)樵谶@種方案中存在封裝連接線寄生電感，所以很多高速ADC需要大電容值的外部電容器(如鉭電容)來旁路電源和內(nèi)部基準(zhǔn)電路系統(tǒng)，而這些旁路電容常常在演示板的頂面和底面上占用很大面積。因此要在最終產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)較小的解決方案尺寸，就要求ADC不僅采用小型封裝，而且還要最大限度地減少外部旁路電容的尺寸和數(shù)量。

技術(shù)趨勢
設(shè)計(jì)高分辨率、高速和高性能同時(shí)又要保持低功耗的ADC是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。除了創(chuàng)新的電路設(shè)計(jì)技術(shù)，工藝技術(shù)的進(jìn)步在小功率高速ADC的開發(fā)中也發(fā)揮著重要作用。特別是采用CMOS工藝制造使ADC受益匪淺。
就模擬電路設(shè)計(jì)而言，CMOS工藝調(diào)整的主要好處是使器件能夠以更小功率和更高速度工作。與僅消耗動(dòng)態(tài)功率的傳統(tǒng)數(shù)字CMOS電路不同，ADC消耗的大部分功率都是由用來偏置放大器和比較器等模擬電路的靜態(tài)電流引起的。對給定的模擬偏置電流，溝道長度(L)更短的工藝使晶體管具有更高的跨導(dǎo)(gm)，這是器件性能的一個(gè)關(guān)鍵衡量指標(biāo)。而且更小的晶體管尺寸還使器件的寄生電容更低。在高速ADC的每個(gè)流水線級(jí)上，精度運(yùn)算放大器等關(guān)鍵電路的模擬穩(wěn)定速率極大程度上由晶體管gm決定。因此，在給定總偏置電流的情況下，縮短L會(huì)使工作速率更高。另外，電源電壓一般會(huì)隨著L縮短而降低，因此即使模擬偏置電流保持不變，總功耗也會(huì)相應(yīng)降低。通過調(diào)整工藝，ADC的設(shè)計(jì)師可以靈活地在給定功率級(jí)上提高速率或在給定速率時(shí)降低功率。
然而，模擬電路的工藝調(diào)整存在一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)。由于電源電壓降低，ADC的滿標(biāo)度輸入范圍也必須縮小，以便為運(yùn)算放大器等模擬電路提供足夠的電壓空間。而更小的輸入范圍會(huì)使信號(hào)功率更低，所以SNR會(huì)隨著工藝調(diào)整而下降。此外，小功率高性能設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)還在于降低ADC產(chǎn)生的噪聲，以保持足夠的信噪比。為了全面地理解這些趨勢，本文在圖1中對目前供應(yīng)的5V和3V 14位ADC在奈奎斯特頻率上的典型功率和SNR進(jìn)行了總結(jié)。在小功率和高SNR之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡以滿足用戶需求對將來的ADC設(shè)計(jì)而言仍將十分重要。

結(jié)語
要在高輸入頻率時(shí)保持良好的SNR和SFDR性能，就需要高輸入帶寬、高線性度的跟蹤與保持設(shè)計(jì)以及小的內(nèi)部采樣時(shí)鐘抖動(dòng)。就小功率ADC設(shè)計(jì)而言，實(shí)現(xiàn)每個(gè)需求都要消耗功率并具有巨大的挑戰(zhàn)。很多低功率ADC的SNR和SFDR都隨著輸入頻率的提高而迅速下降，因?yàn)閮?nèi)部時(shí)鐘抖動(dòng)和跟蹤與保持電路的非線性左右著響應(yīng)信號(hào)的質(zhì)量。所以業(yè)界需要能夠克服這些問題并具有較小解決方案尺寸的小功率高性能ADC，以推出針對無線通信和HDTV基礎(chǔ)設(shè)施市場的創(chuàng)新性產(chǎn)品?！?br/>