Современные электронные системы и приложения для обработки сигналов требуют все более высоких скоростей отбора проб для точного захвата быстро меняющихся сигналов. По мере роста скорости передачи данных в коммуникациях, радаре и приборостроении аналого-цифровой преобразователь (ADC) часто становится узким местом производительности. Одной из мощных технологий для преодоления отдельных ограничений скорости ADC, не требуя экзотического, сверхбыстрого преобразователя, является архитектура ADC с временным интервалом. Помещая несколько среднескоростных ADC параллельно и имея каждый образец ввода в несколько спотыкающихся времен, дизайнеры могут выдвинуть эффективную скорость отбора проб далеко за пределы того, что может достичь любое отдельное устройство. В этой статье исследуются основы, преимущества, проблемы проектирования и реальные приложения ADC с временным интервалом, предоставляя всестороннее руководство для инженеров и системных архитекторов.

Что такое ADC с временными интервалами?

ADC с временным интервалом (TI-ADC) состоит из M отдельных каналов ADC, работающих параллельно. Каждый канал запускается как основной тактовый сигнал, который был фазово сдвинут . Это пошатнувшееся время выборки означает, что, хотя системные часы работают со скоростью f , каждый отдельный ADC работает только при f/M. Композитный выход после соответствующей рекомбинации дает эффективную скорость выборки f. Например, четыре переснятых 125-MSps ADC могут достичь скорости преобразования 500-MSps.

Принцип основан на теореме выборки Никвиста-Шеннона: для реконструкции сигнала без псевдонима частота выборки должна быть как минимум в два раза выше самой высокой частотной составляющей. Временное перемешивание расширяет это до более высоких полос пропускания при использовании ADC, которые сами могут иметь только умеренную скорость. Эта архитектура широко используется в осциллографах, широкополосных программно-определяемых радиоприемниках и оптических приемниках следующего поколения.

Для более глубокого теоретического обоснования обратитесь к технической статье Analog Devices о фундаментальных принципах TI-ADC.

Основные преимущества ADC с временным интервалом

Более высокие эффективные показатели выборки

Наиболее очевидным преимуществом является мультипликативное увеличение скорости выборки. В то время как один высокоскоростной ADC может быть доступен только до, скажем, 10 GSps в SiGe или CMOS, перемежающиеся 16 более медленных ADC могут достигать скорости более 100 GSps. Это особенно важно в таких приложениях, как широкополосный радар, где мгновенная полоса пропускания превышает 1 ГГц.

Эффективность затрат и гибкость дизайна

Разработка сверхбыстрого монолитного ADC доводит технологию процесса до предела, что приводит к высокому энергопотреблению, большой площади кристаллизации и повышенной стоимости. Напротив, несколько среднескоростных ADC могут быть реализованы в более зрелых, более дешевых технологических узлах. Дизайнер также может регулировать количество каналов, чтобы соответствовать требуемым скоростям отбора проб - добавление или удаление каналов обеспечивает масштабируемое решение.

Поддерживаемое разрешение с правильной калибровкой

Вопреки общей озабоченности, перемешивание не ухудшает разрешение. Каждый отдельный ADC сохраняет свою собственную производительность шума и линейности. При тщательной калибровке - цифровой фоновой коррекции для смещения, усиления и несоответствия времени - общая система может поддерживать высокое эффективное количество битов (ENOB) даже при очень высоких скоростях отбора проб. Это ключевое преимущество перед простым запуском одного ADC быстрее и принятием большего шума квантования.

Подробный анализ сохранения разрешения можно найти в записке о применении Texas Instruments для выравнивания каналов ADC с временными интервалами.

Практические проблемы проектирования и стратегии смягчения

Мощные, но временные ADC вводят уникальные ошибки, не присутствующие в одноканальных преобразователях. Они возникают из-за несоответствий между каналами и несовершенства времени.

Offset, Gain и Timing Mismatches (недоступная ссылка)

Три доминирующих источника ошибок:

  • Отклонение от графика: Каждый ADC имеет различное смещение постоянного тока, вызывая фиксированный рисунок на выходе (периодические шпоры на f s /M и его гармоники).
  • Несоответствие сигнала: Вариации усиления между каналами производят модуляцию амплитуды сигнала, генерируя боковые полосы.
  • Неидеальные фазовые сдвиги часов приводят к тому, что точки данных принимаются в некорректное время, что приводит к искажению, зависящему от сигнала.

Все три ошибки уменьшают необоснованный динамический диапазон (SFDR) и ENOB, если не устранены.

Методы калибровки

Современные TI-ADC используют как переднюю, так и фоновую калибровку. На передней план калибровки вводятся известные тестовые сигналы во время инициализации (например, уровни постоянного тока для смещения, синусоидальные тона для усиления и синхронизации). Фоновая калибровка непрерывно адаптируется с использованием самого входного сигнала, часто с помощью статистических методов, для поддержания производительности по температуре и старению. Адаптивные цифровые фильтры и корректировка таблицы поиска являются общими.

Распределение часов и джиттер

Даже когда ADC идеально совпадают, дрожание часов, совместно используемое между каналами, может ухудшить SNR. Источник низкофазных часов и тщательно разработанные петли с задержкой (DLL) или фазовые петли (PLL) необходимы. Кроме того, дифференциальное распределение часов помогает отклонить шум в обычном режиме.

Классическим справочником по коррекции несоответствия является статья N. Kurosawa et al., «Явный анализ эффектов несоответствия каналов в системах ADC с временным интервалом».

Приложения в разных отраслях

Высокоскоростное приобретение данных

Цифровые осциллографы хранения и генераторы произвольных форм волн полагаются на TI-ADC для достижения скорости захвата в несколько гигазампле-в секунду. Оборудование для испытаний R&D часто использует межлистовые архитектуры для визуализации быстрых переходных процессов в силовой электронике, серде и оптических коммуникациях.

Программно-определяемые радио и радар

Широкополосные приемники в военной и коммерческой связи должны мгновенно оцифровывать большие полосы пропускания. Взаимодействующие с течением времени ADC позволяют приемникам прямой выборки, которые устраняют несколько этапов преобразования вниз, упрощая аналоговый фронтенд и уменьшая размер, вес и мощность (SWaP).

Медицинская визуализация

Ультразвуковые лучообразователи и высокопольные МРТ-сканеры требуют высокоскоростной оцифровки элементов множественного массива. TI-ADC позволяют обрабатывать в реальном времени сотни каналов с достаточной пропускной способностью для достижения тонкого пространственного разрешения. Их масштабируемость делает их идеальными для многоканальных медицинских систем визуализации.

Научные приборы

Детекторы физики частиц, сверхбыстрая лазерная метрология и радиоастрономия требуют экстремальной скорости отбора проб. Например, Square Kilometre Array использует огромное количество TI-ADC для оцифровки радиосигналов, охватывающих сотни мегагерц.

Для получения дополнительной информации о медицинских приложениях см. этот обзорный документ по АЦП в ультразвуковой визуализации .

Будущие тенденции и передовые архитектуры

По мере того, как CMOS продолжает масштабироваться, разрыв между одноканальной скоростью ADC и потенциалом перемешивания сужается. Тем не менее, новые приложения в обработке базовой полосы 5G / 6G и оптических когерентных приемниках требуют более 100 GSps с высоким динамическим диапазоном. Передовые методы включают в себя:

  • Гибридные архитектуры, которые сочетают в себе временные перемешивания с полосами пропускания (с использованием аналоговых фильтров для разделения спектра).
  • Цифровое пре-искажение для компенсации аналоговой фронтендной нелинейности по каналам.
  • Калибровка на основе машинного обучения , которая изучает и исправляет несоответствия в реальном времени без выделенных последовательностей обучения.

Инновации в оптических межсоединениях от чипа до чипа также могут обеспечить масштабируемое перемешивание сотен ADC на уровне платы для захвата формы волны суб-THz.

Заключение

Взаимосвязанные с временем ADC обеспечивают проверенный, масштабируемый путь к достижению высоких скоростей отбора проб, требуемых современной электроникой. Используя несколько преобразователей средней скорости параллельно, дизайнеры получают скорость, экономию затрат и гибкость, не обязательно жертвуя разрешением - при условии, что они устраняют присущие ошибки несоответствия посредством тщательной калибровки и распределения часов. От осциллографов и радаров до медицинских изображений и радиотелескопов, технология TI-ADC лежит в основе многих самых быстрых систем сбора данных, используемых сегодня. Поскольку полосы пропускания сигналов продолжают расти, способность переплетать все больше каналов при сохранении линейности останется критическим конкурентным преимуществом.