现代电子系统和信号处理应用要求越来越高的采样率来准确捕捉快速变化的信号。 随着通信、雷达和仪器数据率的上升,模拟到数字转换器(ADC)往往成为性能瓶颈。 一个克服单个ADC速度限制而不需要异域、超快转换器的强大技术是时间间断的ADC架构。 通过将多个中速ADC平行并让每个输入样本在稍错时进行,设计者可以将有效采样率推向远远超出任何单个设备所能达到的。 文章探讨了时间间断ADC的基础、效益、设计挑战以及现实世界应用,为工程师和系统设计师提供了全面的指南。

什么是时间间断ADC?

时间间断的ADC(TI-ADC)由平行运行的M单个ADC信道组成. 每个信道作为主时钟信号被相继转移. 这种错开的采样意味着,虽然系统时钟运行速度f s ,每个单独的ADC只运行在f /M. 复合输出在适当重组后,产生有效采样率f s . 例如,四个125-MS 互开的ADC可以实现500-MSs的转换率.

原理基于Nyquist-Shannon采样定理:在没有别名的情况下重建信号,采样频率必须至少是最高频率元件的两倍. 时间中断将它延伸到更高的带宽,同时使用自身可能仅具有中等速度能力的ADC. 这种架构被广泛用于示波器,宽频段软件定义的无线电以及下一代光学接收器.

对于更深层次的理论基础,请参考 Analog Devices关于TI-ADC基础的技术文章.

时间间隔 ADCs 的关键优势

较高的有效抽样率

最明显的好处是采样速度的乘法性提高。 虽然单一高速ADC只能提供,比如说,在SiGe或CMOS中只有10个GSps,但16个较慢的ADC的互切速度可以达到100GSps以上。 这在宽带雷达等应用中尤为重要,因为当瞬间带宽超过1GHz。

成本效益和设计的灵活性

开发超快的单一ADC将工艺技术推向极限,导致高功耗,大面积枯萎,成本升高。 相反,多条中速ADC可以在更成熟,成本更低的工艺节点中实施。 设计者还可以调整通道数量,以匹配所需的采样率 — — 添加或移除通道提供了可扩展的解决方案。

保持分辨率并适当校准

与共同关注的问题相反,互离并不必然会降低分辨率。每个个体ADC都保留自己的噪音和线性性能。在仔细校准-数字背景校正以抵消、增益和时间错配的情况下,整个系统即使以极高的采样率也能保持高有效位数[ENOB]。这比仅仅运行一个ADC更快和接受更大的量化噪声要重要。

关于分辨率保全的详细分析见Texas Avice关于调和时间中断的ADC频道的应用说明。

实用设计挑战和缓解战略

虽然时间间隔很强,但ADC引入了单通道转换器中不存在的独特错误。这些错误来自频道到频道的不匹配和时间不完善。

偏差、增益和时间错配

三大主要错误来源是:

  • 错配: 每个ADC有一个不同的DC偏移,在输出时造成固定的规律(周期性推力在]f]s[/M及其谐音).
  • Gain不匹配:各通道之间增益变化产生信号振幅的调制,产生侧带.
  • Timing skew: 非理想时钟相位移造成数据点在不正确时间被摄取,导致信号依赖性扭曲.

所有三个错误如果都未解决,则会减少假无动态范围(SFDR)和ENOB.

校准技术

现代TI-ADC同时使用前缘和背景校准. 前景校准在初始化过程中注入已知的测试信号(如DC水平的偏移,sinusoidal tones的增益和时间) 背景校准经常通过统计方法利用输入信号本身不断调整,以保持在温度和衰老期的性能. 适应性的数字滤波器和抬头表校正是常见的.

时钟分布和慢跑

即使ADC完全匹配,频道之间共享的时钟抖动也可以降解SNR. 低相噪声时钟源和精心设计的延迟锁环(DLL)或相锁环(PLL)也是必不可少的,此外,差分时钟分布有助于拒绝常见的模态噪声.

关于错配修正的经典参考文献是N. Kurosawa等人的IEEE论文"关于时空ADC系统中的通道错配效应的explient analysis of channel effective in time-interleved ADC systems".

跨行业应用

高端数据获取

数字存储示波器和任意波形发电机依靠TI-ADC实现多基伽斯ample-每秒捕获率. 研发测试设备经常使用互叶结构来视觉化动力电子,瑟德和光学通信中的快速瞬变.

软件界定无线电和雷达

军事和商业通信中的宽带接收器需要瞬间将大带宽数字化. 时间间断的ADC可以使直接取样接收器消除多个下调转换阶段,简化模拟前端并降低尺寸,重量和功率(SWAP).

医疗成像

超声波束和高场磁共振扫描仪需要多个阵列元素的高速数字化. TI-ADC允许对数百个带宽足够的通道进行实时处理,以达到精细的空间分辨率,它们的可伸缩性使得它们对于多通道的医疗成像系统来说是理想的.

科学仪器

粒子物理探测器、超快激光计量仪和射电天文学都要求极端的取样速度。 比如,方阵千米阵列利用大量的TI-ADC将跨越数百兆赫的无线电信号数字化。

关于医疗应用的更多信息,见本审查文件,关于超声波成像中的ADC。

未来趋势和先进结构

随着CMOS继续扩大,单通道ADC速度与离合潜在窄路之间的差距也越来越大。 尽管如此,5G/6G基带处理和光学一致接收器中新出现的应用驱动了对大于100个动态范围GSps的需求。先进技术包括:

  • ]Hybrid架构,将时间间距与带宽间距(使用模拟滤波器进行分频谱)相结合.
  • 数字前曲变 ,以补偿跨频道的模拟前端非线性.
  • 机器-基于学习的校准,在没有专用训练序列的情况下实时学习和纠正不匹配.

芯片对芯片光学互联的创新也可能使可伸缩的,板层的交替的数百个ADC用于子THz波形捕捉.

结论

时间间隔ADC提供了实现现代电子学要求的高采样率的经过证明的可扩展的途径。 通过同时利用多个中速转换器,设计者获得速度、成本节约和灵活性,而不一定牺牲分辨率 — — 只要它们通过仔细的校准和时钟分配来解决固有的错配错误。 从示波器和雷达到医疗成像器和射电望远镜,TI-ADC技术支撑了当今使用速度最快的许多数据获取系统。 随着信号带宽的不断攀升,在保持线性的同时互换通道的能力将仍然是关键的竞争优势。