准确地了解交织型ADC是什么

 

在当今的许多细分市场，交错式模数转换器(ADC)在许多应用中都具有多项优势。在通信基础设施中，存在着一种推动因素，使ADC的采样速率不断提高，以便支持多频段、多载波无线电，除此之外满足DPD（数字预失真）等线性化技术中更宽的带宽要求。在军事和航空航天领域，采样速率更高的ADC可让多功能系统用于通信、电子监控和雷达等多种应用中——此处仅举数例。工业仪器仪表应用中始终需要采样速率更高的ADC，以便充分精确地测量速度更高的信号。

首先，一定要准确地了解交织型ADC是什么。要了解交错，最好了解一下实际发生的情况以及它是如何实现的。有了基本的了解后，再讨论交错的好处。当然，我们都知道，天下没有免费的午餐，因此需要充分评估和验证交织采样相关的技术难点。

关于交错

若ADC为交错式，则两个或两个以上具有固定时钟相位差关系的ADC用来同步采样输入信号，并产生组合输出信号，使得采样带宽为单个ADC带宽的数倍。利用m个ADC可让有效采样速率增加m倍。为简便起见并易于理解，我们重点考察两个ADC的情况。这种情况下，如果两个ADC的每一个采样速率均为fS, 且呈交错式，则最终采样速率为2× fS。这两个ADC必须具有确定的时钟相位差关系，才能正确交错。时钟相位关系由等式1给出，其中：n是某个特定的ADC，m是ADC总数。

举例而言，两个ADC采样速率均为100 MSPS且呈交错式，因此采样速率为200 MSPS。此时，等式1可用来推导出两个ADC的时钟相位关系，如等式2和等式3。

注意，如果已知时钟相位关系，便可确定不同量化值的组合输出。图1以图形说明时钟相位关系，以及两个100 MSPS交织型ADC的样本结构。注意180°时钟相位关系，以及样本是如何交 错的。输入波形也可由两个ADC进行采样。在这种情况下，采用经过2分频的200 MHz时钟输入，并所需的时钟相位发送至每个ADC，便可实现交错。

图1. 两个交错式100 MSPS ADC—基本原理图。

此概念还可以另一种方式表达，如图2所示。通过将这两个100MSPS ADC以交错方式组合，采样速率便能增加至200 MSPS。这样每个奈奎斯特区可以从50 MHz扩展到100 MHz，使工作时的可 用带宽翻倍。增加的工作带宽可为多个市场领域的应用带来诸多优势。无线电系统可以增加其支持的频段数；雷达系统可以增加空间分辨率；而测量设备可以实现更高的模拟输入带宽。

图2. 两个交错式100 MSPS ADC—时钟和样本。

交错的优势

交错结构的优势可惠及多个细分市场。交织型ADC最大好处是增加了带宽，因为ADC的奈奎斯特带宽更宽了。同样，我们举两个100 MSPS ADC交错以实现200 MSPS采样速率的例子。图3显示通过交错两个ADC，可以大幅增加带宽。这为多种应用场景产生了诸多收益。就像蜂窝标准增加了通道带宽和工作频段数一样，对ADC可用带宽的要求也越来越高。此外，在军事应用中，需要更好的空间识别能力以及增加后端通信的通道带宽，这些都要求ADC提供更高的带宽。由于这些领域对带宽的要求越来越高，因此需要准确地测量这些信号。因此，为了正确地获取和测量这些高带宽信号，测量设备也需要更高的带宽。很多设计中的系统要求其实领先于商用ADC技术。交错结构可以弥补这一技术差距。

图3. 两个交织型ADC——奈奎斯特区。

增加采样速率能够为这些应用提供更多的带宽，而且频率规划更轻松，还能降低通常在ADC输入端使用抗混叠滤波器时带来的复杂性和成本。面对这些优势，大家一定想知道需要为此付 出什么代价。就像大多数事情一样，天下没有免费的午餐。交织型ADC具有更高的带宽和其他有用的优势，但在处理交织型ADC时也会带来一些挑战。

交错挑战

在交错组合ADC时存在一些挑战，还有一些注意事项。由于与交错ADC相关的缺陷，输出频谱中会出现杂散。这些缺陷基本上是两个正在交错的ADC之间不匹配。输出频谱中的杂散导致的基本不匹配有四种。包括失调不匹配、增益不匹配、时序不匹配和带宽不匹配。

其中最容易理解的可能是两个ADC之间的失调不匹配。每个ADC都会有一个相关的直流失调值。当两个ADC交错并在两个ADC之间来回交替采样时，每个连续采样的直流失调会发生变化。图4 举例说明了每个ADC如何具有自己的直流失调，以及交错输出如何有效地在这两个直流失调值之间来回切换。输出以fS/2的速率在这些失调值之间切换，将导致位于fS/2的输出频谱中产生杂散。由于不匹配本身没有频率分量，并且仅为直流，因此出现在输出频谱中的杂散频率仅取决于采样频率，并将始终出现fS/2在2频率下。杂散的幅度取决于ADC之间失调不匹配的幅度。不匹配值越大，杂散值就越大。为了尽可能减少失调不匹配导致的杂散，不需要完全消除每个ADC中的直流失调。这样做会滤除信号中的所有直流成分，不适合使用零中频(ZIF)架构的系统，该架构信号成分复杂，DC量实际是有用信号。相反，更合适的技术是让其中一个ADC的失调与另一个ADC匹配。选择一个ADC的失调作为基准，另一个ADC的失调设置为尽可能接近的值。失调值的匹配度越高，在fS/2产生的杂散就越低。

图4. 失调不匹配。

交错时要注意的第二个不匹配是ADC之间的增益不匹配。图5显示了两个交错式转换器之间的增益不匹配。在这种情况下，有一个不匹配频率分量。为了观察这种不匹配，必须向ADC施加 信号。对于失调不匹配，无需信号即可查看两个ADC的固有直流失调。对于增益不匹配，如果不存在信号，就无法测量增益不匹配，因而无法了解增益不匹配。增益不匹配将会产生与输入频率和采样速率相关的输出频谱杂散，出现在fS/2 ± fIN处。为了最大程度地降低增益不匹配引起的杂散，采用了与失调不匹配类似的策略。选择其中一个ADC的增益作为基准，另一个ADC的增益设置为尽可能接近的值。每个ADC增益值的匹配度越高，输出频谱中产生的杂散就越小。

图5. 增益不匹配。

接下来，我们必须探讨两个ADC之间的时序不匹配。时序不匹配有两个分量：ADC模拟部分的群延迟和时钟相位偏差。ADC中的模拟威廉希尔官方网站 具有相关的群延迟，两个ADC的群延迟值可能不同。此外还有时钟偏斜，它也包括两个分量：各ADC的孔径不确定性和一个与输入各转换器的时钟相位精度相关的分量。图6以图形说明ADC时序不匹配的机制和影响。与增益不匹配杂散相似，时序不匹配杂散也与输入频率和采样速率呈函数关系，出现在fS/2 ± fIN处。

图6. 时序不匹配

为了尽可能降低时序不匹配引起的杂散，需要利用合适的威廉希尔官方网站 威廉希尔官方网站 使各转换器模拟部分的群延迟恰当匹配。此外，时钟路径设计必须尽量一致以使孔径不确定性差异最小。最后，必须精确控制时钟相位关系，使得两个输入时钟尽可能相差180°。与其他不匹配一样，目标是尽量消除引起时序不匹配的机制。

最后一个不匹配可能最难理解和处理：带宽不匹配。如图7所示，带宽不匹配具有增益和相位/频率分量。这使得解决带宽不匹配问题变得更为困难，因为它含有另外两个不匹配参数的分量。然而，在带宽不匹配中，我们可在不同的频率下看到不同增益值。此外，带宽具有时序分量，使不同频率下的信号通过每个转换器时具有不同的延迟。出色的威廉希尔官方网站 设计和布局布线实践是减少ADC间带宽失配的最好方法。ADC之间的匹配越好，则产生的杂散就越少。正如增益和时序不匹配会导致在输出频谱的fS/2 ± fIN处产生杂散一样，带宽不匹配也会在相同频率处产生杂散。

图7. 带宽不匹配。

现在我们已经讨论了交错ADC时引起问题的四种不同的不匹配，可以发现有一个共性。四个不匹配中有三个会在输出频谱的fS/2 ± fIN处产生杂散。失调不匹配杂散很容易识别，因为只有它位于fS/2处，并可轻松地进行补偿。增益、时序和带宽不匹配都会在输出频谱的fS/2 ± fIN 处产生杂散；因此，随之而来的问题是：如何确定它们各自的影响。图8以简单的图形方式指导如何从交织型ADC的不同不匹配中识别杂散来源。

图8. 交错式不匹配的相互关系。

如果只是考察增益不匹配，那么它就是一个低频（或直流）类型的不匹配。通过在直流附近执行低频增益测量，然后在较高的频率处执行增益测量，可将带宽不匹配的增益分量与增益不 匹配分离。增益不匹配与频率无函数关系，而带宽不匹配的增益分量与频率呈函数关系。对于时序不匹配，可以采用类似的方法。在直流附近执行低频测量，然后在较高的频率下执行后续测量，以便将带宽不匹配的时序分量与时序不匹配分离。

结论

最新通信系统设计、尖端雷达技术和超高带宽测量设备似乎始终领先于现有的ADC技术。在这些需求的推动下，ADC的用户和制造商都想方设法，试图跟上这些需求的步伐。与提高典型ADC转换速率的传统方式相比，交错ADC可以更快的速度实现更宽的带宽。将两个或更多ADC交错起来，可以增加可用带宽，并以更快的速度满足系统设计要求。然而，交错ADC并非没有代价，ADC之间的不匹配不容忽视。虽然不匹配确实存在，但了解其本质及如何正确处理它们，设计人员就能更加明智地利用这些交织型ADC，并满足最新系统设计不断增长的要求。

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