Nykyaikaiset elektroniset järjestelmät ja signaalinkäsittelysovellukset vaativat yhä suurempia näytteenottonopeuksia nopeasti muuttuvien signaalien sieppaamiseen tarkasti. Koska datan määrät viestinnässä, tutkassa ja instrumentaation nousussa, analogisesta digitaaliseen muuntimesta (ADC) tulee usein suorituskyvyn pullonkaula. Yksi tehokas tekniikka yksittäisten ADC-nopeusrajojen ylittämiseksi ilman eksoottisia, ultranopeita muuntimia on aikainterleared ADC-arkkitehtuuri. Asettamalla useita kohtalaisen nopeita ADC-dekonversioita rinnakkain ja ottamalla kunkin näytteen syötön hieman porrastettuna aikana, suunnittelijat voivat työntää tehokkaan näytteenottonopeuden paljon pidemmälle kuin mitä yksittäinen laite voi saavuttaa. Tässä artikkelissa tarkastellaan aikainterfilated ADC-arkkitehtuuria.

Mitä aikavälileikkeillä tarkoitetaan?

ADC (TI-ADC) koostuu M-yksittäisistä ADC-kanavista, jotka toimivat rinnakkain. Jokainen kanava on kellon pääsignaalina, jonka on vaiheittainen . Tämä porrastettu näytteenotto tarkoittaa, että järjestelmän kellon ollessa nopeudella []f[]][[]]][[]]], jokainen yksittäinen ADC toimii vain ]f[]]s[[]]][[[[]]]]]]. Esimerkiksi neljä 125-MS ADC:n interflowing-taajuusa. Komposiittitehon, kun on tarkoituksenmukaista uudelleenyhdistymistä, saadaan aikaan tehokas näytteenottonopeus [f][[[[[[FLT:]]]]. Esimerkiksi neljä 125-MS ADC:n vaihtovirtaa voidaan saavuttaa 500-MS

Periaate perustuu Nyquist-Shannon näytteenotto lause: rekonstruoida signaalin salaamatta, näytteenottotaajuus on oltava vähintään kaksinkertainen korkein taajuuskomponentti. Aika-vuorotteleminen laajentaa tämän korkeampiin kaistanleveyksiin, kun taas käyttämällä ADC että itse voi olla vain kohtalainen nopeus kyky. Tämä arkkitehtuuri on laajalti käytetty oskilloskoopit, laajakaista-ohjelmiston määritellyt radiot, ja seuraavan sukupolven optisia vastaanottimia.

Syvempää teoreettista perustaa varten Analogisten laitteiden tekninen artikkeli TI-ADC:n perusasioista.

Aikavälien tärkeimmät edut

Tehokkaammat näytteenottoprosentit

Selviytyvin etu on näytteenottonopeuden moninkertaistuminen. Vaikka yksi nopea ADC saattaa olla käytettävissä vain 10 GSps SiGessä tai CMOS:ssä, 16 hitaamman ADC:n interleaving voi saavuttaa nopeuden yli 100 GSps. Tämä on erityisen tärkeää sovelluksissa, kuten laajakaistatutkassa, jossa hetkellinen kaistanleveys ylittää 1 GHz.

Kustannustehokkuus ja suunnittelu joustavuus

Kehittämällä ultranopea monoliittinen ADC työntää prosessiteknologian sen rajalle, mikä johtaa suureen virrankulutukseen, suureen die-alueeseen ja korkeisiin kustannuksiin. Sen sijaan useita kohtalaisen nopeita ADC-laitteita voidaan toteuttaa kypsempinä ja halvempina prosessisolmuina. Suunnittelija voi myös säätää kanavien määrää vaaditun näytteenottonopeuden mukaisiksi.Lisäämällä tai poistamalla kanavat tarjoavat skaalautuvan ratkaisun.

Säilytetty resoluutio oikealla kalibrointimenetelmällä

Toisin kuin yhteinen huoli, interleaving ei luonnostaan hajota resoluutiota. Jokainen yksittäinen ADC säilyttää oman melun ja lineaarisuuden suorituskyvyn. Huolellinen kalibrointi.digital taustakorjaus offset-, voitto- ja ajoituserojen suhteen.Koko järjestelmä voi ylläpitää []-korkeaa tehokasta bittien määrää (ENOB)[]] jopa erittäin korkealla näytteenottonopeudella. Tämä on keskeinen etu yksinkertaisesti yksittäisen ADC:n pyörittämiseen nopeammin ja suuremman kvantitalisaation melun hyväksymiseen.

Tarkka analyysi resoluution säilyttämisestä löytyy Texas Instruments... sovellus note on lineing time-leaved ADC kanavat.

Käytännön suunnitteluhaasteet ja lieventämisstrategiat

Vaikka tehokkaat, aika-lehti ADC:t tuovat ainutlaatuisia virheitä, joita ei esiinny yksikanavaisissa muuntimissa, ne johtuvat kanavan-kanava-eroista ja ajoituksen puutteista.

Offset, Gain ja Ajoitusvirheet

Kolme hallitsevaa virhelähdettä ovat:

  • Offset competence:[] Kullakin ADC:llä on erilainen tasavirtaoffset, joka aiheuttaa kiinteän kuvion ulostulossa (jaksolliset pyramidit ]f[]][[[]]]]/M ja sen harmoniset aallot).
  • Gain epäsuhta:[] Voiton vaihtelu kanavien välillä tuottaa modulaatio signaalin amplitudi, tuottaa sivukaistat.
  • Ajoneuvon kääntö: [] Kellon ulkopuoliset vaihesiirtymät aiheuttavat datapisteiden vääränlaisen oton, mikä johtaa signaalista riippuvaan vääristymään.

Kaikki kolme virhettä vähentävät epäaidosti vapaata dynaamista vaihteluväliä (SFDR) ja ENOB:tä, jos niitä ei ole käsitelty.

Kalibrointitekniikat

Nykyaikaiset TI-ADC-järjestelmät käyttävät sekä tulostus- että taustakalibrointia. Tuloskalibrointi injektoi tunnettuja testisignaaleja alustamisen aikana (esim. DC-tasot offset-arvon, sinuoidisävyjen hyöty- ja ajoitusarvon ja arvon suhteen). Taustakalibrointi mukautuu jatkuvasti itse tulosignaalin avulla, usein tilastollisin menetelmin, jotta suorituskyky säilyy yli lämpötilan ja ikääntymisen. Adaptiiviset digitaaliset suodattimet ja katselupöydän korjaus ovat yleisiä.

Kellon jakelu ja jitteri

Vaikka ADC-laitteet olisivat täysin yhteensopivia, kanavien jakamat kellon jitterit voivat heikentää SNR:ää. Matala-vaihemeluinen kellon lähde ja huolellisesti suunnitellut viivelukitut silmukkat (DLL) tai vaihelukitut silmukkat (PLL) ovat välttämättömiä. Lisäksi differentiaalikellon jakelu auttaa hylkäämään tavallisen moodin melun.

Klassinen viittaus epäsuhtaisuuden korjaamiseen on IEEE-paperi, jonka on laatinut N. Kurosawa et al., "Explicit analysis of channel competence effects in time-leaved ADC systems".

Sovellukset eri toimialoilla

Korkean nopeuden datan hankinta

Digitaaliset varastointioskilloskoopit ja mielivaltaiset aaltomuotogeneraattorit luottavat TI-ADC:ihin, jotta saavutetaan monigiganäytteen sekunnilta talteenottonopeus. T&K-testilaitteet käyttävät usein toisiinsa levitettyjen arkkitehtuurien avulla nopeita transienttien visualisointia sähköelektroniikassa, seerumeissa ja optisessa viestinnässä.

Ohjelmiston määrittelemä radio ja tutka

Laajakaistavastaanottimet on sotilaallisessa ja kaupallisessa viestinnässä digitalisoitava välittömästi. Aikaleikkaamalla ADC-vastaanottimet mahdollistavat suorien näytteenottojen, jotka poistavat useita alasajovaiheita, yksinkertaistavat analogista rintamaa ja vähentävät kokoa, painoa ja tehoa (SWaP).

Lääketieteellinen kuvantaminen

Ultraäänisäteenmuodostajat ja korkean kentän magneettikuvauslaitteet vaativat useiden matriisielementtien nopeaa digitointia. TI-ADC-laitteet mahdollistavat reaaliaikaisen käsittelyn sadoissa kanavissa, joiden kaistanleveys on riittävä hienon tilan erottelukyvyn saavuttamiseksi. Niiden skaalautuvuus tekee niistä ihanteellisia monikanavaisille lääketieteellisille kuvantamisjärjestelmille.

Tieteellinen instrumentointi

Hiukkasfysiikan ilmaisimet, ultranopeat lasermetrologia ja radioastronomia vaativat äärimmäisiä näytteenottonopeuksia. Esimerkiksi Square Kilometre Array käyttää valtavia määriä TI-ADC:itä digitoimaan radiosignaaleja, jotka kattavat satoja megahertsiä.

Lisätietoja lääketieteellisistä sovelluksista on tässä arviointiasiakirjassa ADC:istä ultraäänikuvauksessa.

Tulevaisuuden trendit ja kehittyneet arkkitehtuurit

Kun CMOS jatkaa mittakaavassa, kuilu yhden kanavan ADC-nopeuden ja mahdollisten kapenemismahdollisuuksien välillä. 5G/6G:n peruskaistankäsittelyn ja optisten johdonmukaisten vastaanottimien uudet sovellukset lisäävät kuitenkin kysyntää yli 100 GSps:lle, joiden dynaaminen toiminta-alue on suuri.

  • Hybridit arkkitehtuurit[, jotka yhdistävät aika-vuorottelemisen kaistanleveyden intervastointiin (käyttäen analogisia suodattimia spektrin jakamiseen).
  • Digitaalinen esivääristymä kompensoida analogisen epälineaarisuuden eri kanavissa.
  • Machine-Learning-pohjainen kalibrointi[, joka oppii ja korjaa epäsuhtaisuudet reaaliajassa ilman erityisiä koulutusjaksoja.

Innovointi sirusta siruun -optisten rajapintojen avulla voi myös mahdollistaa skaalautuvan, levytason intervivaation satojen ADC:iden välillä ala-THz-aaltomuodon kaappaukseen.

Päätelmät

Aika-leave ADC tarjoaa todistetun, skaalautuvan tien nykyelektroniikan edellyttämien korkeiden näytteenottonopeuksien saavuttamiseen. Kun samanaikaisesti käytetään useita keskinopeita muuntimia, suunnittelijat saavat nopeuden, kustannussäästöjä ja joustavuutta uhraamatta välttämättä resoluutiota. Edellyttäen, että ne puuttuvat luontaisesti epäsuhtavirheisiin huolellisen kalibroinnin ja kellonjakelun avulla. Oskilloskoopista ja tutkasta lääketieteellisiin kuvantajiin ja radioteleskooppiin, TI-ADC-teknologia tukee monia nopeimpia datanhankintajärjestelmiä, jotka ovat käytössä tänään. Signaalinkaistanleveydet nousevat edelleen, kyky kytkeä yhä useampia kanavia ja säilyttää samalla lineaarisuus säilyy kriittisenä kilpailuetuna.