用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器

通信用接收器的發(fā)展趨勢(shì)是必需在信號(hào)剛一進(jìn)入接收器信號(hào)通道時(shí)就進(jìn)行取樣，并配備有精確的測(cè)試儀，而要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)就要依賴超高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。美國國家半導(dǎo)體|0">半導(dǎo)體首推的 ADC081000 芯片是一款模擬輸入帶寬高達(dá) 1.8 GHz 的 8 位 1GSPS 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它采用 0.18 微米 (mm) 的互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體 (CMOS) 工藝技術(shù)制造。下文簡述了結(jié)構(gòu)及動(dòng)作的原理，并較詳細(xì)介紹了上文提到的在動(dòng)作過程中起什么重要作用。

環(huán)顧目前的市場(chǎng)，大部分超高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器都采用雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體 (BiCMOS) 工藝技術(shù)制造，因此 ADC081000 芯片是市場(chǎng)上第一款完全采用 CMOS 技術(shù)制造的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。由于雙極晶體管的補(bǔ)償電壓比 CMOS 晶體管低，而增益則較高，因此工程師一向喜歡采用雙極芯片設(shè)計(jì)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器前端，例如取樣及保持放大器等信號(hào)調(diào)節(jié)電路。對(duì)于需要支持高頻率操作的系統(tǒng)來說，雙極芯片尤其受工程師歡迎。但雙極芯片的缺點(diǎn)是需要較高的供電，其功耗遠(yuǎn)比采用 CMOS 技術(shù)的同類芯片大。ADC081000 芯片的實(shí)際功耗只有 1W 左右。相比之下，市場(chǎng)上功耗最低的 BiCMOS 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器則耗用超過 3W 的功率。要裝設(shè)怎樣的散熱器才可將如此大量的熱量全部散發(fā)？這卻是一個(gè)令人極為頭痛的問題。ADC081000 芯片不但性能卓越，而且符合通信系統(tǒng)及高性能測(cè)試儀表所需的動(dòng)態(tài)規(guī)格，可提供 7 以上的有效位數(shù) (ENOB)，遠(yuǎn)超尼奎斯特（nyquist）的規(guī)定。

結(jié)構(gòu)及運(yùn)作原理

高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器有多種結(jié)構(gòu)可供選擇，其中以快閃式、流水線式或折疊/內(nèi)插式等三種最受歡迎。采用快閃式及折疊/內(nèi)插式的結(jié)構(gòu)可讓數(shù)字 CMOS 工藝發(fā)揮更大的靈活性。折疊式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是速度快，而且所需的比較器比快閃式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器少。內(nèi)插式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器則只需極少量輸入放大器，而且所需的輸入電容也較低。我們所知的折疊/內(nèi)插式結(jié)構(gòu)便是這兩種技術(shù)的集成，其優(yōu)點(diǎn)是管芯體積較小、功耗較低、而動(dòng)態(tài)性能又很高，因此 ADC081000 芯片便采用這種結(jié)構(gòu)，圖 1 所示的就是這款芯片的結(jié)構(gòu)框圖。

1GSPS 的速度提供足夠的計(jì)時(shí)時(shí)間 ：

以 ADC081000 這類高速、高性能的集成電路來說，它們所需的時(shí)鐘信號(hào)絕對(duì)不能附隨任何噪音，以確保外部時(shí)鐘不會(huì)將不受歡迎的噪音帶進(jìn)系統(tǒng)，影響系統(tǒng)的整體動(dòng)態(tài)性能。ADC081000 芯片所需的時(shí)鐘必須屬于低相位噪音 (低抖動(dòng)) 時(shí)鐘，而且必須能以千兆赫 (GHz) 以上的頻率操作。傳統(tǒng)的石英振蕩器雖然可以提供低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)，但市場(chǎng)上只有極少石英振蕩器能提供振蕩頻率超過幾百兆赫 (MHz) 的時(shí)鐘信號(hào)。為了確保振蕩頻率及低相位噪音符合要求，我們可以采用高頻率壓控振蕩器 (VCO)、鎖相環(huán)路 (PLL) 及石英振蕩器，并按圖 2 所示的設(shè)計(jì)將之集成一體，這是目前最佳的方法。

美國國家半導(dǎo)體最近推出業(yè)內(nèi)第一款高性能的鎖相環(huán)路及壓控振蕩器二合一解決方案，進(jìn)一步強(qiáng)化其無線通信產(chǎn)品系列的陣容。LMX25XX 芯片系列的優(yōu)點(diǎn)是可將其射頻輸出的中心頻率設(shè)定在 800MHz 至 1.4GHz 之間。這系列芯片的相位噪音極低，確保所產(chǎn)生的抖動(dòng)不會(huì)影響 ADC081000 芯片的信噪比 (SNR)。設(shè)計(jì)高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師清楚知道時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)降低模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信噪比。以 500MHz 的輸入信號(hào)為例來說，3ps 的均方根抖動(dòng)可將信噪比的最高極限降低至 40.5dB，其計(jì)算方式如下：

ADC081000 芯片內(nèi)部產(chǎn)生的取樣時(shí)鐘抖動(dòng)極為輕微，其影響基本上可以不理。時(shí)鐘的設(shè)計(jì)要小心處理，設(shè)計(jì)的落實(shí)也要考慮實(shí)際的應(yīng)用，這樣才可充分發(fā)揮 ADC081000 芯片的性能。但其中所涉及的各種技術(shù)都不在本文的討論范圍之內(nèi)。有一點(diǎn)卻值得一提，時(shí)鐘的設(shè)計(jì)極為重要，我們建議采用圖 2 的電路。如欲進(jìn)一步查詢有關(guān)的資料，可參看 ADC081000 芯片的數(shù)據(jù)表。

面對(duì)每秒 1Gbps 的數(shù)據(jù)傳輸速度，我們有什么對(duì)策？

為了方便捕捉輸出數(shù)據(jù)，ADC081000 芯片設(shè)有低電壓差分信號(hào)傳輸 (LVDS) 及 CMOS 兩種操作模式。(下文將會(huì)簡單介紹 LVDS 技術(shù)的運(yùn)作原理)。我們只要將邏輯高電平或邏輯低電平連接管腳 1，便可選擇要求的模式。采用 LVDS 模式操作時(shí)，內(nèi)部的 1:2 多路分配器負(fù)責(zé)為兩個(gè)輸出總線饋電，以及將輸出數(shù)據(jù)速度降低至只有取樣率的一半。采用 CMOS 模式操作時(shí)，內(nèi)部的 1:4 多路分配器負(fù)責(zé)為四個(gè)輸出總線饋電，以及將輸出數(shù)據(jù)速度降低至只有取樣率的四分之一。各總線上的數(shù)據(jù)會(huì)同時(shí)交錯(cuò)處理，使每一總線能分別以 500MSPS 及 250MSPS的速度輸出數(shù)據(jù)，令數(shù)據(jù)輸出速度合計(jì)高達(dá) 1GSPS。無論采用 LVDS 還是 CMOS 的模式操作，系統(tǒng)必須提供一個(gè)或多個(gè)與輸出數(shù)據(jù)傳送過程同步的輸出時(shí)鐘，以便簡化數(shù)據(jù)捕捉過程。

運(yùn)作過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)

把所有的高性能元器件在應(yīng)用過程中都看成是一個(gè)運(yùn)作整體，而不是一個(gè)個(gè)的獨(dú)立個(gè)體，這是很重要的，所以在一個(gè)應(yīng)用中，運(yùn)算放大器和轉(zhuǎn)換器運(yùn)行好壞都會(huì)影響整體的動(dòng)作。數(shù)字示波器的應(yīng)用非常廣泛，通信、半導(dǎo)體及計(jì)算機(jī)等行業(yè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試工程師都經(jīng)常采用數(shù)字示波器。這種儀器倚靠一個(gè)高取樣率、高輸入帶寬的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。事實(shí)上，這是整臺(tái)儀器的心臟，因?yàn)槭静ㄆ鞯妮斎霂捈叭勇释耆汕岸说哪M數(shù)字轉(zhuǎn)換器決定。例如，輸入帶寬為 1.5GHz 的 1 GSPS 示波器必須采用符合這些規(guī)格的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。測(cè)量儀器必須擁有足夠的帶寬才可準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)。測(cè)量信號(hào)時(shí)，示波器的模擬帶寬必須足以支持信號(hào)內(nèi)的高頻部分。例如，示波器必須能夠提供 100MHz 以上的輸入帶寬，才可無需濾波器也能測(cè)量 100MHz 的正弦波。

由于方波之中有部分高頻波的頻率比基本頻率高很多倍，因此示波器必須提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 100MHz 的輸入帶寬才可測(cè)量 100MHz 的方波。取樣時(shí)若帶寬不足，便會(huì)遺失原來信號(hào)的高頻部分及振幅。這樣，方波便無法以方波的形狀顯示在示波器的屏幕上。

取樣率是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)的速率。取樣率越高，高頻信號(hào)便可更精確地復(fù)原。例如，以 1GSPS 取樣率復(fù)原的 100MHz 信號(hào)比以 500MHz 取樣率復(fù)原的同一信號(hào)更接近原來的信號(hào)。因此，像 ADC081000 這類高取樣率、高輸入帶寬及低位錯(cuò)誤率 (BER) 的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是將高頻信號(hào)數(shù)字化的理想轉(zhuǎn)換器，最適用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測(cè)試。廠商可以利用這款模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器開發(fā)成本低廉的高性能測(cè)試設(shè)備。

另外一個(gè)典型的應(yīng)用是數(shù)字無線電接收器。多年來模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展一日千里，令接收器可以更大量采用數(shù)字集成電路。當(dāng)然接收器的數(shù)字電路越靠近天線，便越能發(fā)揮接收的優(yōu)勢(shì)。因此有人認(rèn)為可將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器置于射頻系統(tǒng)的輸出端，以便直接進(jìn)行射頻取樣。這個(gè)設(shè)計(jì)看似較為可取，但這里產(chǎn)生另一個(gè)問題，我們不得不加以考慮。為了能夠預(yù)先抑制不需要的帶外信號(hào)，以及滿足模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器所要求的頻率范圍，已接收的信號(hào)在輸入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之前必須先加以濾波，以及接受自動(dòng)增益控制。因此很多數(shù)字接收器采用折衷的辦法，先由輸出端的第一及第二中頻級(jí)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，使帶外信號(hào)還未進(jìn)入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之前先行接受濾波，也確保部分信號(hào)在未進(jìn)入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器之前先行在模擬級(jí)接受自動(dòng)增益控制，以盡量避免帶內(nèi)信號(hào)過驅(qū)動(dòng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，使信號(hào)在進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換之前可以達(dá)到最大的信號(hào)增益。此外，我們?nèi)舨捎弥蓄l取樣及數(shù)字接收技術(shù)，便無需另外加設(shè)中頻級(jí)如混頻器、濾波器及放大器，有助減低成本，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師若采用可編程數(shù)字濾波器取代固定的模擬濾波器，便可充分發(fā)揮設(shè)計(jì)上的靈活性。

由于 1.8GHz 的 ADC081000 芯片可提供 3dB 的帶寬，因此最適用于射頻或中頻的直接取樣。這款轉(zhuǎn)換器芯片可大幅減少所需昂貴模擬芯片的數(shù)目，有助減低系統(tǒng)的總體成本。此外，即使采用遠(yuǎn)比尼奎斯特規(guī)定還要高的輸入頻率操作，總諧波失真也可保持在較低的水平，讓取樣率必定不足的系統(tǒng)如衛(wèi)星接收系統(tǒng)也可正常執(zhí)行工作。