用高性能ADC拓展软件定义无线电应用领域

美国国家半导体推出的全新12位模数转换器(ADC)在采样速率、动态性能和集成功能集方面实现了很大的飞跃，其采样速率高达3.6GSPS，同时能将基底噪声保持在-147dBm/Hz。即使是性能最接近的单片竞争产品，也只能实现在1GSPS下12位分辨率的信号采样，这样的性能飞跃究竟是如何实现的？优良的采样速率和噪声特性是如何得到的？使用了哪些基础架构和处理技术？以3.6GSPS速率采样的12位数字数据是如何采样及处理的？需要什么样的时钟电路？本文将就上述问题以及接踵而至的其它诸多问题进行讨论，并将在最后总结可能将受益于该技术的一些应用领域。

千兆采样率级别的ADC设计工程师在系统架构上的选择相对有限，通常快闪式(flash)或折叠式(folding)最为合适。其它诸如流水线(pipeline)架构、分级式(sub-ranging)架构或多步式(multi-step)架构均使用了某种形式的判决反馈回路。例如，在流水线架构中，被采样的模拟信号被低分辨率的ADC转换为数字信号，接着由低分辨率的数模转换器(DAC)还原成模拟信号，这会产生一个误差电压，之后该电压又一次被转换为数字信号，再由控制逻辑进行处理。这一系列连续事件最终限制了流水线架构所能获得的最大采样速率。一些流水线架构的ADC可能同时使用时间交错采样来获得更高的采样速率，但这样的方法在功耗方面的效率相对较低。

尽管由于单次转换仅受限于并行工作的一系列比较器的开关速率，快闪型架构在理论上可实现最快的采样速率，但它同样存在一个重大弊端，即获得N位的分辨率需要2N–1个数据比较器。在分辨率高于8位时，这样做将以巨大的占位面积和更高的功耗为代价。此外，在分辨率为8位或更高时，对如此多的比较器输出信号进行编码也将带来额外的速率限制。基于上述原因，美国国家半导体全新的12位ADC系列使用了折叠式系统架构，并结合了内插技术和对用户透明的片内自校准专利技术。

折叠式架构的情况与快闪式基本一致，不同的是比较器可根据折叠阶数进行共享，因此大幅减少了比较器数目。假设折叠阶数为f，则n位转换器所需的比较器数目为2N/f+f–2。内插技术还减少了所需的前端放大器数量，从而使输入信号的负载最小化，进一步降低了功率需求。但折叠式也有一个缺点，与快闪式相比，它更容易受器件偏移的影响。为补偿偏移带来的影响，ADC12D1800采用了专利的片内自校准方案来矫正ADC前置放大电路中的偏移。这将降低折叠式架构产生的积分非线性(INL)误差。与其它系统架构相比，折叠内插式与片内自校准技术的结合大大节省了芯片裸片面积和功耗。上电后自校准在芯片内自动运行，无需任何外部信号或控制电路。该系列ADC采用美国国家半导体自有的0.18μm纯CMOS工艺制造，这种工艺是为获得最大噪声性能同时尽可能降低功耗而专门开发的。其它超高速ADC采用Bipolar(双极)或BiCMOS工艺技术制造，通常需要2个或更多的电源轨且功耗极大。图1中给出了双ADC12D1800的模块图，该芯片运行在1.8V至2.0V的单轨电源下，每个通道的功耗仅为2.05W。

图1：12位模数转换器ADC12D1800模块图。

超高速ADC支持电路

要利用ADC12D1800这样的数据转换器获得高性能表现，必须保证支持电路的性能与数据转换器本身相当。支持电路的要素包括：高性能，低抖动时钟源；用来驱动ADC输入的高线性、低噪声放大器或平衡-非平衡变压器；用来采集和处理Gbps级数据的高速FPGA或ASIC技术。

产生GHz级的时钟信号

数据转换系统中最重要的子电路之一就是时钟源，时钟信号的精度直接影响转换器的动态性能。时钟源必须具有非常微小的时钟抖动和相位噪声。一个完美的时钟发生器应该总是在相同的时间间隔发出时钟沿。而在实际操作中，时钟沿到来的时间间隔总是不断变化的。由于时钟信号的不确定性，采样波形的信噪比(SNR)可能不尽如人意。时序不确定性/时钟抖动越严重，对ADC基底噪声的影响越恶劣，因此信噪比越低。采样时钟信号的谐波也会混杂在模拟输入信号中，导致互调失真(IMD)和噪声功率比(NPR)性能下降。因此，需要具有出色杂散噪声性能的低抖动时钟源。抖动产生的噪声未超过量化噪声(1/2LSB)时，来自所有信号源的可容忍最大时钟抖动(Tj)可由以下简单公式进行计算：

　　如果输入电压(VIN)优化后等于ADC的满量程电压(VINFSR)，那么时钟抖动要求便成为ADC分辨率(N位)和输入采样频率(fin)的一个影响因素。可用以下公式计算满足期望信噪比规格所要求的时钟抖动：

　　当输入频率为奈奎斯特(Nyquist)采样率(1.8GSPS转换率对应的输入频率为900MHz)，60dB信噪比对应的整体时钟抖动为180fs。这种极低的时钟抖动可用LMX2541配合适当的基准振荡器，或者用最高频率1.0GSPS的LMK04000系列的ADC12D1000来实现。这两种方案的杂散谐波失真性能都不会限制模数转换器的动态性能。表1列出了关于美国国家半导体LMK0X000时钟产品的详细信息。