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PCB设计中采用时间交替超高速模数转换器的解析
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2017-12-05
吴清华
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采用时间交替模数转换器（ADC），以每秒数十亿次的速度采集同步采样模拟信号，对于设计工程师来说，这是一项极大的技术挑战，需要非常完善的混合信号电路。时间交替的根本目标是通过增加转换器，在不影响分辨率和动态性能的前提下使采样频率增倍。
本文探讨时间交替模数转换器的主要技术难点，并提供切实可行的系统设计指导，包括可解决上述问题的创新性元件功能和设计方法。本文还提供从7Gsps双转换器芯片“交替解决方案”测得的FFT结果。最后，文章还描述了实现高性能所需的应用支持电路，包括时钟源和驱动放大器。
对更高采样速度的需求不断增加
何时提高采样频率会更加有益，其中的原因又是什么呢？这个问题有多种答案。模数转换器的采样速度基本上直接决定了可以在一个采样瞬间进行数字化的瞬时带宽。尼奎斯特和香农采样定理证明了最大可用采样带宽（BW）相当于采样频率Fs的一半。
3GSPS模数转换器实现了在一次采样期内采集1.5GHz模拟信号频谱。如果采样速度翻倍，尼奎斯特带宽也倍增至3GHz.通过时间交替实现采样带宽倍增对于很多应用来说都是有益的。例如，无线电收发器架构可以增加信息信号载波数，从而增加系统数据输出量。采样频率倍增还可以提高采用飞行时间（TOF）原理的LIDAR测量系统的分辨率。实际上，通过缩短有效采样期可以降低飞行时间测量值的不确定性。
数字示波器还需要高采样频率Fs/输入频率FIN比值，以准确采集复合模拟或数字信号。要采集输入频率的谐波部分，就要求采样频率必须是输入频率（最大值）的倍数。例如，如果示波器采样频率不够高，且更高阶谐波位于模数转换器的尼奎斯特带宽外，方形波将显示为正弦形。
图1说明了示波器前端双倍采样频率的益处。6GSPS采样波形是采样模拟输入更准确的表示形式。很多其他测试仪器系统（例如质谱仪和伽马射线望远镜）依靠较高的过采样/FIN进行脉冲波形测量。
图1：以3GSPS和6GSPS采样的247.77MHz信号的时域值图。
增加采样频率还具有其他优点。过采样信号还实现了通过数字滤波在数字域改善增益的特点。实际上，模数转换器噪声底可在更大输出带宽上扩散。倍增固定输入带宽的采样率在动态范围使噪声改善了3dB.采样频率每倍增一次，将为动态范围提供一个附加3dB.
时间交替技术的难点
时间交替的主要难点是通道间采样时钟边沿的精确校准和IC间固有变化的补偿。精确匹配各单独模拟数据转换器间的增益、偏移和时钟相位是一项很大的挑战，主要因为这些参数都取决于频率。除非能够实现这些参数的精确匹配，否则动态性能和分辨率将会降低。
本文探讨时间交替模数转换器的主要技术难点，并提供切实可行的系统设计指导，包括可解决上述问题的创新性元件功能和设计方法。本文还提供从7Gsps双转换器芯片“交替解决方案”测得的FFT结果。最后，文章还描述了实现高性能所需的应用支持电路，包括时钟源和驱动放大器。
对更高采样速度的需求不断增加
何时提高采样频率会更加有益，其中的原因又是什么呢？这个问题有多种答案。模数转换器的采样速度基本上直接决定了可以在一个采样瞬间进行数字化的瞬时带宽。尼奎斯特和香农采样定理证明了最大可用采样带宽（BW）相当于采样频率Fs的一半。
3GSPS模数转换器实现了在一次采样期内采集1.5GHz模拟信号频谱。如果采样速度翻倍，尼奎斯特带宽也倍增至3GHz.通过时间交替实现采样带宽倍增对于很多应用来说都是有益的。例如，无线电收发器架构可以增加信息信号载波数，从而增加系统数据输出量。采样频率倍增还可以提高采用飞行时间（TOF）原理的LIDAR测量系统的分辨率。实际上，通过缩短有效采样期可以降低飞行时间测量值的不确定性。
数字示波器还需要高采样频率Fs/输入频率FIN比值，以准确采集复合模拟或数字信号。要采集输入频率的谐波部分，就要求采样频率必须是输入频率（最大值）的倍数。例如，如果示波器采样频率不够高，且更高阶谐波位于模数转换器的尼奎斯特带宽外，方形波将显示为正弦形。
图1说明了示波器前端双倍采样频率的益处。6GSPS采样波形是采样模拟输入更准确的表示形式。很多其他测试仪器系统（例如质谱仪和伽马射线望远镜）依靠较高的过采样/FIN进行脉冲波形测量。
图1：以3GSPS和6GSPS采样的247.77MHz信号的时域值图。
增加采样频率还具有其他优点。过采样信号还实现了通过数字滤波在数字域改善增益的特点。实际上，模数转换器噪声底可在更大输出带宽上扩散。倍增固定输入带宽的采样率在动态范围使噪声改善了3dB.采样频率每倍增一次，将为动态范围提供一个附加3dB.
时间交替技术的难点
时间交替的主要难点是通道间采样时钟边沿的精确校准和IC间固有变化的补偿。精确匹配各单独模拟数据转换器间的增益、偏移和时钟相位是一项很大的挑战，主要因为这些参数都取决于频率。除非能够实现这些参数的精确匹配，否则动态性能和分辨率将会降低。
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