PCB层级中时序交错式超高速ADC解决方案

运用时序交错式类比数位转换器（timeinterleavedADC）在每秒高达数十亿次的同步取样类比讯号是一个技术上的挑战，除此之外，对於混合讯号电路的设计也需要非常谨慎小心。基本上，时序交错的目标是利用转换器数目与取样频率相乘而不影响解析度以及动态的效能。

本文将探讨运用时序交错式类比数位转换器时所出现的技术挑战，并对此提供实用的系统设计解决方案。本文也将说明可以解决目前已知问题的创新元件的特色及设计技术。同时利用快速傅立叶转换（FFT）计算法算出7GSPS速率及两个转换器晶片在「交错解决方案」下的结果。最後将说明为达成高效能所需的时脉源及驱动放大器之支援电路图应用。

需要更高的取样速度

何时以及为何增加取样的频率是具有优势的呢？有多个答案可以回答这个问题。基本上，类比数位转换器的取样速度会直接影响到瞬间频宽，因为瞬间频宽会在取样的瞬间被数位化。根据Nyquist与Shannon的取样定理表示，最大允许的取样频宽（BW）等於取样频率（FS）的一半。我们可以用以下的方程式表示：

BW=FS/2

速率为3GSPS的类比数位转换器能在一个取样周期内取样15亿赫兹的类比讯号频谱。让取样速度加倍的同时也会让Nyquist频宽加倍成为30亿赫兹。藉由时序交错使取样频宽产生增加的结果对於很多应用提供相当的助益。举例来说，应用时序交错的无线电收发机架构就可以增加资讯讯号载波的数目，使得系统资料处理能力得到提升。增加取样频率同时也可以改善LiDAR测量系统（LiDAR系统依循飞行时间（TOF）原理而运作）的解析度。基本上，飞行时间测量的不准确度可以经由减少有效取样时脉周期的方式而降低。

数位示波器也需要较高的取样频率对输入频率（FIN）的比值，才能更精准的获得复合式类比或数位讯号。取样频率必须是FIN的最大值的数倍以上才能得到FIN的调和成分。举例来说，如果在示波器取样频率不够高的情况下，若较高位阶的调和频率在类比数位转换器Nyquist频宽的范围之外，那麽原本的方波将会变成正弦波的形式。

图1:在速率3GSPS及速率6GSPS时针对247.77百万赫兹讯号取样的时域测量波形图。

图1所示为示波器前端加倍取样频率所产生的优势。取样类比输入讯号中速率6GSPS的取样波形将得以更精准地呈现出来。许多其他的测试仪器系统，比方像是质谱仪以及伽玛射线望远镜都是依赖较高的过度取样与输入频率的比例来达成脉冲形状的测量。

增加取样频率还可以获得其它的优点。过度取样的讯号也能对数位滤波的过程中得到增益有所助益。基本上，类比数位转换器的杂讯底部扩散涵盖大部分的输出频宽。对一个固定的输入频宽采用两倍的取样频率进行取样，能在动态范围中获得3dB的改善。而每一次对取样频率进行加倍也都能让动态范围额外获得3dB的改善。

时序交错所面临的挑战

时序交错主要面临的挑战为频道间做取样时脉边缘的精确相位校准，以及在积体电路之间与生俱来的制造变数补偿的问题。为了能精确的与增益匹配，各个分别类比数位转换器间的偏移量与时脉相位都将十分重要，特别是与频率有关的参数更显重要。除非这些参数能够达到精确匹配，才能使动态效能与解析度得以降低。图2所示为三个主要的错误来源。

图2:交错是类比数位转换器在增益、偏移量、时序上的错误。

一般而言，双通道交错转换器的系统需要类比数位转换器的输入端取样时脉产生1/2个时脉周期的时间平移。然而ADC083000类比数位转换器的架构则使用晶片本身具备的交错技术，并以时脉频率相当於取样率一半的数值进行运作，也就是说使用1.5GHZ的频率来对应3GSPS的速率。因此对於采用两组ADC083000类比数位转换器的双通道系统而言，类比数位转换器输入取样时脉边缘必须是1/4个时脉周期的时间平移或是与其他边缘产生90°的角度平移。对於频率1.5GHZ时脉而言，相符合的数值为166.67ps.

来源：维库开发网