Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα και οι εφαρμογές επεξεργασίας σημάτων απαιτούν ολοένα και περισσότερους υψηλούς ρυθμούς δειγματοληψίας για να συλλαμβάνουν με ακρίβεια τα σήματα που αλλάζουν ταχύτητα. Καθώς τα ποσοστά δεδομένων στις επικοινωνίες, το ραντάρ και την αύξηση οργάνων, ο αναλογικός προς ψηφιακό μετατροπέας (ADC) συχνά γίνεται το σημείο συμφόρησης των επιδόσεων. Μια ισχυρή τεχνική για να ξεπεράσει τα επιμέρους όρια ταχύτητας ADC χωρίς να απαιτεί έναν εξωτικό, εξαιρετικά γρήγορο μετατροπέα είναι η αρχιτεκτονική ADC που έχει διαχωριστεί από το χρόνο. Με την τοποθέτηση πολλαπλών ADC μετρίως ταχύτητας και έχοντας κάθε δείγμα τη είσοδος σε ελαφρώς κλιμακωτά χρονικά διαστήματα, οι σχεδιαστές μπορούν να ωθήσουν το αποτελεσματικό ρυθμό δειγματοληψίας πολύ πέρα από αυτό που οποιαδήποτε ενιαία συσκευή μπορεί να επιτύχει. Αυτό το άρθρο διερευνά τα θεμελιώδη, τα οφέλη, τις προκλήσεις σχεδιασμού, και τις εφαρμογές σε πραγματικό κόσμο των χρονοδιατεθειμένων ADCs, παρέχοντας έναν ολοκληρωμένο οδηγό για μηχανικούς και αρχιτέκτονες συστημάτων.

Τι Είναι οι Αναμενόμενες από τον Χρόνο Α.Κ.;

Ένα χρονόφυλλο ADC (TI-ADC) αποτελείται από M επιμέρους κανάλια ADC που λειτουργούν παράλληλα. Κάθε κανάλι είναι ωρολογιακό ως κύριο σήμα ⁇ ολογιού που έχει μετατοπιστεί από []. Αυτή η κλιμακωτή δειγματοληψία σημαίνει ότι ενώ το ρολόι του συστήματος λειτουργεί σε ρυθμό fs[]], κάθε μεμονωμένο ADC λειτουργεί μόνο σε f]]s]/M. Η σύνθετη έξοδος, μετά από κατάλληλο ανασυνδυασμό, αποδίδει έναν αποτελεσματικό ρυθμό δειγματοληψίας f]s.Για παράδειγμα, τέσσερα ADC μπορούν να επιτύχουν interleaves.

Η αρχή βασίζεται στο θεώρημα δειγματοληψίας Nyquist-Shannon: για την ανακατασκευή ενός σήματος χωρίς ψευδώνυμο, η συχνότητα δειγματοληψίας πρέπει να είναι τουλάχιστον η διπλάσια από τη μεγαλύτερη συνιστώσα συχνότητας. Η χρονική διείσδυση επεκτείνεται σε υψηλότερα εύρος ζώνης ενώ χρησιμοποιούν ADCs που οι ίδιοι μπορεί να έχουν μόνο μέτρια ικανότητα ταχύτητας. Αυτή η αρχιτεκτονική χρησιμοποιείται ευρέως σε ταλαντοσκόπια, ευρείας ζώνης ⁇ διόφωνα και οπτικούς δέκτες επόμενης γενιάς.

Για βαθύτερο θεωρητικό θεμέλιο, ανατρέξτε στο ] Τεχνικό άρθρο της Analog Devices για τα θεμελιώδη στοιχεία της TI-ADC.

Βασικά πλεονεκτήματα των διαχωρισμένων με το χρόνο ADC

Υψηλότερα αποτελεσματικά ποσοστά δειγματοληψίας

Το πιο προφανές όφελος είναι η πολλαπλασιαστική αύξηση της ταχύτητας δειγματοληψίας. Ενώ ένα ενιαίο ADC υψηλής ταχύτητας μπορεί να είναι διαθέσιμο μόνο μέχρι, ας πούμε, 10 GSps στο SiGe ή CMOS, διαθέτοντας 16 βραδύτερες ADCs μπορούν να φτάσουν ταχύτητες πέρα από 100 GSps. Αυτό είναι ιδιαίτερα κρίσιμο σε εφαρμογές όπως το ευρυζωνικό ραντάρ όπου το στιγμιαίο εύρος ζώνης υπερβαίνει το 1 GHz.

Απόδοση κόστους και ευελιξία σχεδιασμού

Η ανάπτυξη μιας υπερ-γρήγορης μονολιθικής ADC ωθεί την τεχνολογία της διαδικασίας στα όριά της, με αποτέλεσμα την υψηλή κατανάλωση ενέργειας, μεγάλη περιοχή die, και αυξημένο κόστος. Αντίθετα, πολλαπλές ADC μέτριας ταχύτητας μπορούν να εφαρμοστούν σε πιο ώριμους, χαμηλότερου κόστους κόμβους διαδικασίας. Ο σχεδιαστής μπορεί επίσης να προσαρμόσει τον αριθμό των καναλιών για να ταιριάζει με τα απαιτούμενα ποσοστά δειγματοληψίας ⁇ προσθήκη ή αφαίρεση καναλιών παρέχει μια κλιμακούμενη λύση.

Διατηρημένη Ανάλυση με Σωστή Βαθμονόμηση

Σε αντίθεση με την κοινή ανησυχία, η παρεμπόδιση δεν υποβαθμίζει εγγενώς την ανάλυση. Κάθε μεμονωμένο ADC διατηρεί τη δική του απόδοση θορύβου και γραμμικότητας. Με προσεκτική βαθμονόμηση ⁇ ψηφιακή διόρθωση φόντου για όφσετ, κέρδος και χρονισμούς ⁇ το συνολικό σύστημα μπορεί να διατηρήσει ] υψηλό αποτελεσματικό αριθμό bits (ENOB) ακόμη και σε πολύ υψηλούς ρυθμούς δειγματοληψίας. Αυτό είναι ένα βασικό πλεονέκτημα για την απλή εκτέλεση ενός μόνο ADC ταχύτερου και αποδοχής μεγαλύτερου θορύβου ποσοτικοποίησης.

Λεπτομερής ανάλυση της διατήρησης της ανάλυσης μπορεί να βρεθεί στο [] Σημείωμα εφαρμογής των οργάνων Texas για την ευθυγράμμιση των διανυθέντων στο χρόνο καναλιών ADC .

Πρακτικές Προκλήσεις Σχεδίασης και Στρατηγικές Μετριασμού

Ενώ ισχυρό, χρονικά διαχωρισμένο ADCs εισάγει μοναδικά σφάλματα που δεν υπάρχουν σε ένα κανάλι μετατροπείς. Αυτά προκύπτουν από τα κανάλια-σε-κάναλο αναντιστοιχίες και ατέλειες χρονισμού.

Μετατόπιση, Κερδισμός και Χρονικές Αναποδιές

Οι τρεις κυρίαρχες πηγές σφάλματος είναι:

  • Αντιστοιχία ποδοσφαιριστών: Κάθε ADC έχει διαφορετική αντιστάθμιση DC, προκαλώντας ένα σταθερό μοτίβο στην έξοδο (περιοδικά σπιρούνια στο fs[][[LFT:5]]]/M και τις αρμονικές του).
  • Αντιστοιχία Gain: Οι διακυμάνσεις στο κέρδος μεταξύ των καναλιών παράγουν διαφοροποίηση του πλάτους του σήματος, παράγοντας πλευρικές ζώνες.
  • Timing skew: Οι μη ιδεατικές βάρδιες φάσης ⁇ ολογιού προκαλούν τα σημεία δεδομένων να λαμβάνονται σε λάθος ώρες, οδηγώντας σε παραμόρφωση εξαρτώμενη από το σήμα.

Και τα τρία λάθη μειώνουν το δυναμικό εύρος των παρανόμων χωρίς διακρίσεις (SFDR) και ENOB αν δεν έχουν γίνει δεκτά.

Τεχνικές βαθμονόμησης

Οι σύγχρονες TI-ADC χρησιμοποιούν τόσο το προσκήνιο όσο και τη βαθμονόμηση του φόντου. Η βαθμονόμηση του εδάφους εγχύει γνωστά σήματα δοκιμής κατά την αρχικοποίηση (π.χ. επίπεδα DC για όφσετ, ημιτονοειδείς τόνους για κέρδος και χρονισμό). Η βαθμονόμηση του φόντου προσαρμόζεται συνεχώς χρησιμοποιώντας το ίδιο το σήμα εισόδου, συχνά μέσω στατιστικών μεθόδων, για να διατηρήσει την απόδοση πάνω από τη θερμοκρασία και τη γήρανση. Τα προσαρμοζόμενα ψηφιακά φίλτρα και η διόρθωση του πίνακα αναζήτησης είναι κοινά.

Διανομή ⁇ ολογιού και Jitter

Ακόμα και όταν τα ADCs είναι τέλεια ταιριαστά, το ρολόι jitte μοιράζονται μεταξύ των καναλιών μπορεί να υποβαθμίσει SNR. Μια χαμηλής φάσης-ήχου πηγή ⁇ ολογιού και προσεκτικά σχεδιασμένος βρόχο καθυστέρησης-κλειδωμένο (DLLs) ή φάσεων-κλειδωμένα βρόχοι (PLLs) είναι απαραίτητη. Επιπλέον, διαφορική κατανομή ⁇ ολογιού βοηθά στην απόρριψη κοινής λειτουργίας θόρυβο.

Μια κλασική αναφορά για διόρθωση αναντιστοιχίας είναι το JEEE paper του N. Kurosawa et al., ⁇ Explicit analysis of channel mismatch effects in time-interleved ADC systems ⁇ [LFT:1]].

Εφαρμογές σε όλες τις βιομηχανίες

Απόκτηση δεδομένων υψηλής ταχύτητας

Ψηφιακά ταλαντοσκόπια αποθήκευσης και αυθαίρετες γεννήτριες κυματομορφών βασίζονται σε TI-ADCs για την επίτευξη πολύ-gigasample-ανά-δευτερόλεπτο ποσοστά δέσμευσης.

Λογισμικό-Καθορισμένο ⁇ και ραντάρ

Οι δέκτες ευρείας ζώνης σε στρατιωτικές και εμπορικές επικοινωνίες πρέπει να ψηφιοποιήσουν τα μεγάλα εύρος ζώνης στιγμιαία. Οι χρονοδιαζευγμένοι ADC επιτρέπουν τους δέκτες άμεσης δειγματοληψίας που εξαλείφουν πολλαπλά στάδια μετατροπής, απλοποιώντας το αναλογικό περιβάλλον και μειώνοντας το μέγεθος, το βάρος και την ισχύ (SWaP).

Ιατρική απεικόνιση

Οι υπερήχοι και οι ανιχνευτές μαγνητικής τομογραφίας υψηλής εμβέλειας απαιτούν ψηφιοποίηση πολλαπλών συστοιχιών υψηλής ταχύτητας. Τα TI-ADC επιτρέπουν την επεξεργασία σε πραγματικό χρόνο εκατοντάδων καναλιών με επαρκές εύρος ζώνης για την επίτευξη λεπτής χωρικής ανάλυσης.

Επιστημονική οργάνωση

Για παράδειγμα, η Array τετραγωνικών χιλιομέτρων χρησιμοποιεί τεράστιους αριθμούς TI-ADC για να ψηφιοποιήσει τα ραδιοσήματα που καλύπτουν εκατοντάδες megahertz.

Για περισσότερες ιατρικές εφαρμογές, βλέπε ] το παρόν έγγραφο ανασκόπησης για τις ADCs στην υπερηχογραφικό απεικόνιση.

Μελλοντικές Τάσεις και Προηγμένες Αρχιτεκτονικές

Καθώς η CMOS συνεχίζει να κλιμακώνεται, το χάσμα μεταξύ της ταχύτητας του ADC ενός καναλιού και της διείσδυσης των δυνητικών στενών. Ωστόσο, οι αναδυόμενες εφαρμογές σε επεξεργασία ζώνης βάσης 5G/6G και οπτικών συνεκτικών δεκτών οδηγούν τη ζήτηση για >100 GSps με υψηλό δυναμικό εύρος. Οι προηγμένες τεχνικές περιλαμβάνουν:

  • Υβριδικές αρχιτεκτονικές που συνδυάζουν το χρόνο-διαμπερδεύοντας με το εύρος ζώνης-διαμπερδεύοντας (χρησιμοποιώντας αναλογικά φίλτρα για να διαχωριστεί το φάσμα).
  • Ψηφιακή προ-διαμόρφωση για να αντισταθμίσει την αναλογική μη γραμμικότητα του συστήματος πρόσθιας πρόσβασης σε όλα τα κανάλια.
  • Βαθμονόμηση βασισμένη στην εκμάθηση των μηχανών που μαθαίνει και διορθώνει αναντιστοιχίες σε πραγματικό χρόνο χωρίς ειδικές ακολουθίες εκπαίδευσης.

Οι καινοτομίες στις οπτικές διασυνδέσεις chip-to-chip μπορούν επίσης να επιτρέπουν την κλιμακούμενη, σε επίπεδο σκάφους, παρεμπόδιση εκατοντάδων ADC για τη σύλληψη κυματομορφών υποTHz.

Συμπέρασμα

Οι χρονοδιαχωριζόμενες ADC παρέχουν μια αποδεδειγμένη, κλιμακούμενη διαδρομή για την επίτευξη των υψηλών ποσοστών δειγματοληψίας που απαιτούνται από τα σύγχρονα ηλεκτρονικά. Με τη μόχλευση πολλαπλών μετατροπέων μετρίως ταχύτητας παράλληλα, οι σχεδιαστές κερδίζουν ταχύτητα, εξοικονόμηση κόστους και ευελιξία χωρίς απαραίτητα να θυσιάζουν την ανάλυση ⁇ υπό την προϋπόθεση ότι αντιμετωπίζουν τα εγγενή λάθη αναντιστοιχίας μέσω προσεκτικής βαθμονόμησης και διανομής ⁇ ολογιού. Από τα ταλαντοσκόπια και τα ραντάρ μέχρι τα ιατρικά εικονόμετρα και τα ραδιοτηλεσκόπια, η τεχνολογία TI-ADC στηρίζει πολλά από τα ταχύτερα συστήματα απόκτησης δεδομένων που χρησιμοποιούνται σήμερα. Καθώς τα εύρος ζώνης σήματος συνεχίζουν να ανεβαίνουν, η ικανότητα να διαχωρίζονται ακόμα περισσότερο κανάλια, ενώ η διατήρηση της γραμμικότητας θα παραμείνει ένα κρίσιμο ανταγωνιστικό πλεονέκτημα.