Moderna elektroniska system och signalbehandlingsapplikationer kräver alltmer höga provtagningshastigheter för att fånga snabba förändringar signaler noggrant. Eftersom datahastigheter i kommunikation, radar och instrumentering ökar blir den analoga-digitala omvandlaren (ADC) ofta prestandaflaskhalsen. En kraftfull teknik för att övervinna individuella ADC-hastighetsbegränsningar utan att kräva en exotisk, ultrasnabb konverterare är tidsinterlänkad ADC-arkitektur. Genom att placera flera måttliga ADC-hastigheter parallellt och ha varje prov på ingången i liten grad av grundläggande utmaningar

Vad är Time-Interleaved ADCs?

[L] [L] [L] [L] [L]] [[L]]]][L]][[L]]]]][[L]]]][[[[L]]]]]]]][[[[L]]]]]]]]]][[[[L]]]]]]]]][[[[[[[[F]]]]]]]]]]]]][[[[[[[F]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]][[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[

Principen vilar på Nyquist-Shannon provtagningssatsen: att rekonstruera en signal utan att behöva, provtagningsfrekvensen måste vara minst två gånger den högsta frekvenskomponenten. Tidsinterleaving sträcker detta till högre bandbredd medan du använder ADCs som själva kan ha endast måttlig hastighetskapacitet. Denna arkitektur används allmänt i oscilloskop, bredbandsprogramvarudefinierade radioapparater och nästa generations optiska mottagare.

För en djupare teoretisk grund, hänvisa till Analog Enheter tekniska artikel om TI-ADC grunderna .

Nyckelfördelar med tidsbesparade ADC

Högre effektiv sampling priser

Den mest uppenbara fördelen är den multiplikativa ökningen av provtagningshastigheten. Medan en enda höghastighets ADC kan vara tillgänglig endast upp till, säg, 10 GSps i SiGe eller CMOS, som blandar 16 långsammare ADC kan nå hastigheter utöver 100 GSps. Detta är särskilt kritiskt i applikationer som bredbandsradar där momentan bandbredd överstiger 1 GHz.

Kostnadseffektivitet och designflexibilitet

Utveckla en ultrasnabb monolitisk ADC driver processteknik till sina gränser, vilket resulterar i hög effektförbrukning, stort die-område och förhöjd kostnad. Däremot kan flera måttliga hastighet ADCs implementeras i mer mogna, lägre kostnad processnoder. Designern kan också justera antalet kanaler för att matcha erforderliga provtagningshastigheter - till eller ta bort kanaler ger en skalbar lösning.

Behållen resolution med korrekt kalibrering

I motsats till allmän oro, störande inte i sig nedbrytning resolution. Varje enskild ADC behåller sitt eget buller och linearitet prestanda. Med noggrann kalibrering-digital bakgrundskorrigering för kompensation, vinst och tidsfel-det övergripande systemet kan upprätthålla hög effektivt antal bitar (ENOB) även vid mycket höga provtagningshastigheter. Detta är en viktig fördel över att bara köra en enda ADC snabbare och acceptera större kvantiseringsbuller.

En detaljerad analys av lösningsbevarande finns i ]Texas Instruments ansökningsanmärkning om anpassning av tidsinterleaverade ADC-kanaler.

Praktiska designutmaningar och migrationsstrategier

Medan kraftfulla, tidsinterleaved ADCs introducerar unika fel som inte finns i enkanalskonverterare. Dessa uppstår från kanal-till-kanal felmatches och timing ofullkomligheter.

Offset, Gain och Timing Mismatches

De tre dominerande felkällorna är:

  • ]Offset mismatch: Varje ADC har en annan DC-kompensation, vilket orsakar ett fast mönster vid utgången (periodiska sporrar vid ]f][]]]/M och dess harmonicser).
  • ] Få felmatch: ]] Variationer som vinner mellan kanaler producerar modulering av signalamplituden, genererar sidoband.
  • ] Tidssked:[] Icke-idealiska klockfasskift orsakar att datapunkter tas vid felaktiga tider, vilket leder till signalberoende förvrängning.

Alla tre felen minskar falskt dynamiskt intervall (SFDR) och ENOB om det är oadresserat.

Kalibreringsteknik

Moderna TI-ADCs använder både förgrund och bakgrundskalibrering. Foreground kalibrering injicerar kända testsignaler under initialisering (t.ex. DC-nivåer för kompensation, sinusoida toner för vinst och tidtagning). Bakgrundskalibrering anpassar kontinuerligt med ingångssignalen själv, ofta genom statistiska metoder, för att upprätthålla prestanda över temperatur och åldrande. Adaptiva digitala filter och uppslagstabellkorrigering är vanliga.

Klocka Distribution och Jitter

Även när ADCs är perfekt matchade, kan klocka jitter delas mellan kanaler försämra SNR. En lågfas-brus klockkälla och noggrant utformade försenade slingor (DLLs) eller fas-låsta slingor (PLLs) är avgörande. Dessutom hjälper differential klockdistribution att avvisa buller.

En klassisk referens på felmatch korrigering är ] IEEE-papper av N. Kurosawa et al., "Explicit analys av kanal felmatch effekter i tidsinterleaved ADC system"]]

Ansökningar över industrier

Höghastighetsdataförvärv

Digital lagring oscilloskop och godtyckliga vågform generatorer förlitar sig på TI-ADC för att uppnå multi-gigasample-per-sekunders infångshastigheter. R&D testutrustning använder ofta interleaved arkitekturer för att visualisera snabba övergående i kraftelektronik, serder och optisk kommunikation.

Programvarudefinierad radio och radar

Bredbandsmottagare i militär och kommersiell kommunikation måste digitalisera stora bandbredd omedelbart. Tidsinterleaved ADCs möjliggör direktsampling mottagare som eliminerar flera nedkonverteringssteg, förenklar den analoga fronten och minskar storlek, vikt och kraft (SWaP).

Medicinsk bildbehandling

Ultraljudsbalformatorer och högfälts MR-skannrar kräver höghastighetsdigitering av flera array-element. TI-ADC tillåter realtidsbehandling av hundratals kanaler med tillräcklig bandbredd för att uppnå fin rumslig upplösning. Deras skalbarhet gör dem idealiska för multikanal medicinsk bildbehandlingssystem.

Vetenskaplig Instrumentation

Partikelfysikdetektorer, ultrasnabb lasermetrologi och radioastronom kräver alla extrema provtagningshastigheter. Till exempel använder Square Kilometre Array ett stort antal TI-ADC för att digitalisera radiosignaler som sträcker sig över hundratals megahertz.

För mer om medicinska tillämpningar, se ] denna översyn papper på ADC i ultraljud bildbehandling .

Framtida trender och avancerade arkitekturer

Eftersom CMOS fortsätter att skala, gapet mellan enkanal ADC-hastighet och mellankoppla potentiella smalare. Ändå, nya applikationer i 5G / 6G basband bearbetning och optiska sammanhängande mottagare driver efterfrågan på > 100 GSps med hög dynamisk räckvidd. Avancerade tekniker inkluderar:

  • ]Hybrid arkitekturer[]] som kombinerar tidsinterleaving med bandbreddsinterleaving (med analoga filter för att dela spektrum).
  • ] Digital förvrängning] för att kompensera för analog frontend nonlinearitet över kanaler.
  • ]Machine-learning-baserad kalibrering som lär sig och korrigerar felmatchningar i realtid utan dedikerade träningssekvenser.

Innovationer i chip-to-chip optiska sammankopplingar kan också möjliggöra skalbar, styrelsenivåinterleaving av hundratals ADC för sub-THz vågform fånga.

Slutsats

Tidsinterleaved ADCs ger en beprövad, skalbar väg för att uppnå de höga provtagningshastigheter som krävs av modern elektronik. Genom att utnyttja flera måttliga hastighetskonverterare parallellt får designers hastighet, kostnadsbesparingar och flexibilitet utan att nödvändigtvis offra upplösning - förutsatt att de tar itu med de inneboende felmatchningsfelen genom noggrann kalibrering och klockdistribution. Från oscilloskop och radar till medicinska bildskärmar och radioteleskop fortsätter TI-ADC-tekniken i dag många av den snabbaste data-kanaliseringssignaliseringssignaliseringen.