Giga ADC 介紹及雜散分析(下)

3、Giga ADC雜散的分析

ADC應(yīng)用中，輸出的雜散信號決定了ADC的動態(tài)范圍。在傳統(tǒng)的流水線ADC中，起決定作用的主要是諧波雜散，即輸入信號的二次、三次或更高次諧波混疊進(jìn)入第一個(gè)Nyquist區(qū)。除此以外，GigaADC的interleave架構(gòu)帶來了其它雜散。如前文說提到的，為了達(dá)到更高的采樣速率，每路ADC實(shí)際包括兩個(gè)子ADC，這兩個(gè)子ADC工作在interleave模式下。在這種情況下，兩路子ADC之間的失配將會產(chǎn)生新的雜散信號?？傮w來說，Giga ADC的雜散主要分為三類雜散信號：1）interleave雜散；2）固定頻點(diǎn)雜散；3）和輸入信號相關(guān)的雜散。

3.1 Interleave相關(guān)的雜散

Interleave模式，如Figure7所示，就是相同的輸入信號，輸入到兩個(gè)（或N個(gè)）采樣率相同，但采樣時(shí)鐘相位相反（或相差2π/N）的ADC中，從而達(dá)到采樣率增倍的目的。但由于兩路ADC不可能完全一致，存在一些失配，從而導(dǎo)致了一些輸出雜散的生成。這些失配包括偏置誤差、增益誤差以及采樣時(shí)鐘的相位誤差。

這里假定：N：一路ADC中包含的子ADC個(gè)數(shù)Fin：輸入有用信號Fnoise：輸出的雜散信號Fs：ADC采樣時(shí)鐘

3.1.1輸入偏置誤差

假定ADC其它參數(shù)都是理想的，只考慮輸入偏置誤差。通過數(shù)學(xué)分析可以得到，輸入偏置誤差帶來的雜散主要分布在

從Figure13可以看出，輸入偏置誤差帶來的雜散和輸入信號的幅度和頻率沒有關(guān)系，從頻域上看，均勻的分布在第一Nyquist區(qū)。由輸入偏置帶來的雜散固定的分布在公式一給出的各個(gè)頻點(diǎn)。

3.1.2輸入增益誤差

假定輸入電路除增益誤差以外，其它參數(shù)都是理想的，可以看出當(dāng)輸入信號幅度增大時(shí)，增益誤差也隨之變大。輸出的誤差信號類似于輸入信號的一個(gè)調(diào)幅輸出，可以得到，增益誤差導(dǎo)致的雜散信號出現(xiàn)位置如下：

從分析可以看出，由于增益誤差導(dǎo)致的輸出雜散幅度和輸入信號的頻率無關(guān)，但和輸入信號的幅度有關(guān)，輸入信號幅度變大時(shí)，雜散幅度增加；反之亦然。

3.1.3采樣時(shí)鐘的相位誤差

如果兩個(gè)或多個(gè)采樣時(shí)鐘之間存在相位誤差（skew），同樣會帶來雜散。由于相位誤差帶來的誤差最大出現(xiàn)在輸入信號壓擺率最大的地方，即過零點(diǎn)，即這類雜散類似于輸入信號的調(diào)頻輸出。雜散信號出現(xiàn)的位置在：

采樣時(shí)鐘的相位誤差和輸入增益誤差帶來的雜散位置相同，但相位誤差輸出的雜散和輸入頻率有關(guān)，當(dāng)輸入頻率越高，誤差越大；而偏置誤差和增益誤差帶來的雜散和輸入頻率無關(guān)。

3.2固定頻點(diǎn)雜散

相對于interleave雜散，固定頻點(diǎn)雜散和輸入信號的頻點(diǎn)無關(guān)，主要取決與系統(tǒng)時(shí)鐘，ADC及子ADC的采樣時(shí)鐘，數(shù)據(jù)輸出的隨路時(shí)鐘以及系統(tǒng)中其他時(shí)鐘源的耦合干擾。固定頻點(diǎn)雜散因?yàn)槲恢霉潭?，?yīng)用中很容易預(yù)判這些雜散，從而在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中規(guī)避這些雜散存在的頻點(diǎn)。

3.2.1采樣時(shí)鐘雜散

如Figure 16所示，當(dāng)四個(gè)ADC工作在interleave模式下，四個(gè)ADC的采樣率都是Fclk，但相位相差90度，這樣整個(gè)ADC通道的實(shí)際采樣率為4*Fclk；輸出的頻譜中，在Fclk頻點(diǎn)處有一個(gè)固定的采樣時(shí)鐘雜散。這個(gè)主要是時(shí)鐘的泄露，采樣時(shí)鐘從芯片內(nèi)部或板上耦合到數(shù)據(jù)的輸出。

3.2.2數(shù)據(jù)輸出的隨路時(shí)鐘

在Giga ADC中，數(shù)據(jù)的輸出是并行LVDS總線；同時(shí)這些總線可以1：2 Demux或者Non-demux；在Non-demux，數(shù)據(jù)速率和采樣速率是一致的；在Demux模式下，數(shù)據(jù)速率降低一倍，但數(shù)據(jù)總線增加一倍。同時(shí)，Giga ADC數(shù)據(jù)輸出的隨路時(shí)鐘可以是DDR或SDR，如下圖所示。在Demux和DDR同時(shí)使能的情況下，隨路時(shí)鐘DCLK只是采樣時(shí)鐘的1/4，這個(gè)時(shí)鐘雜散可能出現(xiàn)在Fs/4的地方。

3.3和輸入相關(guān)的雜散

前面提到，和輸入相關(guān)的雜散主要是輸入信號的奇偶次諧波混疊進(jìn)入ADC的第一Nyquist區(qū)。這類雜散主要通過外部的抗混疊濾波器加以濾除以及信號輸入端的匹配，差分兩端的平衡來優(yōu)化。這類雜散在傳統(tǒng)的ADC中已經(jīng)討論很多，這里就不再贅述。

3.4雜散信號的優(yōu)化

為了達(dá)到最佳的輸出雜散性能，在Giga ADC，主要采用了校準(zhǔn)環(huán)路，來優(yōu)化輸入電路的偏置誤差、增益誤差。如下圖所示，在校準(zhǔn)前后，ADC的性能可以優(yōu)化10dBc以上。

同時(shí)，當(dāng)Giga ADC工作在DES mode，兩路采樣時(shí)鐘間的skew對于Fs/2- fin的雜散非常重要；芯片提供了兩路采樣時(shí)鐘的skew調(diào)整功能，可以通過寄存器的配置來降低Fs/2 - fin的雜散，如下圖所示。

除此之外，ADC的外部輸入電路設(shè)計(jì)也需要盡量優(yōu)化，確保兩路差分電路的平衡一致，阻抗的匹配。Giga ADC提供了DESI，DESQ，DESIQ，DESCLKIQ等幾種DES模式下輸入結(jié)構(gòu)；綜合輸入平坦度，插入損耗和最終的ADC性能測試結(jié)果，DESIQ模式的性能最佳，并且推薦采用多層Balun和以下的輸入電路。

4、結(jié)論

本文主要介紹了TI Giga ADC采用的架構(gòu)，通過這一先進(jìn)的架構(gòu)，TI實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最高采樣率的12bit/10bit ADC，并被廣泛使用到了衛(wèi)星、雷達(dá)、微波等通信領(lǐng)域。同時(shí)本文也分析介紹了Giga ADC中的輸出雜散的形成原因，以及相應(yīng)的優(yōu)化措施。

5、參考資料

[1] ADC08D1520 Datasheet

[2] "Explicit Analysis of Channel Mismatch Effects in Time-Interleaved ADC Systems"， Naoki Kurosawa， etc. 2001， IEEE

[3] "A 1.8-V 1.6-GSample/s 8-b Self-Calibrating Folding ADC With 7.26 ENOB at Nyquist Frequency"， Robert C. Taft， etc. 2004， IEEE

Giga ADC 介紹及雜散分析(上)