終結(jié)高速轉(zhuǎn)換器帶寬術(shù)語

有很多令人困惑的規(guī)格都與轉(zhuǎn)換器帶寬有關(guān)。為了在新的設(shè)計中選用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換器，我應(yīng)當(dāng)使用什么帶寬術(shù)語呢?

開始一個新設(shè)計時，需要決定的首要參數(shù)就是帶寬。帶寬為設(shè)計指明方向，引導(dǎo)設(shè)計人員開辟通往成功之路。本質(zhì)上有三類前端可供選擇：基帶型、帶通或超奈奎斯特型(有時也稱為窄帶或子采樣型——基本上不會用到第1奈奎斯特區(qū))以及寬帶型，如圖 1 所示。前端的選用取決于具體應(yīng)用。

基帶設(shè)計要求的帶寬是從直流(或低 kHz/MHz 區(qū))到轉(zhuǎn)換器的奈奎斯特頻率。用相對帶寬表示的話，這意味著大約 100 MHz 或以下，假定采樣速率為 200 MSPS。這類設(shè)計可以采用放大器或變壓器/巴倫。

帶通設(shè)計意味著在高中頻時只會使用轉(zhuǎn)換器帶寬的一小部分(即小于奈奎斯特頻率)。例如，還是假定采樣速率為 200 MSPS，可能只需要 20-60MHz 帶寬，以 170 MHz 為中心。不過，隨著新一代 GSPS 轉(zhuǎn)換器類型產(chǎn)品的發(fā)布，市場呈現(xiàn)出向更高中頻發(fā)展的趨勢。因此，上述示例中的數(shù)值可能會多填充一個 0。本質(zhì)上講，設(shè)計人員只需利用轉(zhuǎn)換器帶寬的一小部分就能完成工作。這種設(shè)計通常使用變壓器或巴倫。不過，如果較高頻率下的動態(tài)性能足夠并且需要增益，也可以使用放大器。

寬帶設(shè)計通常指需要全部帶寬的設(shè)計。轉(zhuǎn)換器能夠提供多少帶寬，用戶就會使用多少帶寬——供大于求!在三種設(shè)計中，這種設(shè)計的帶寬最寬，因而是最具挑戰(zhàn)性的前端設(shè)計。如果設(shè)計要求整個通帶的平坦度為 0.1dB，則更具挑戰(zhàn)性。這類應(yīng)用的帶寬范圍為直流或低 kHz/MHz 區(qū)至 +GHz 區(qū)。此類設(shè)計常常采用寬帶巴倫耦合到轉(zhuǎn)換器。

圖 1.基帶、帶通與寬帶，F(xiàn)SAMPLE = 200 MSPS。

關(guān)于帶寬的說明

術(shù)語“帶寬”在工程領(lǐng)域中遭到濫用，根據(jù)應(yīng)用的不同，帶寬的含義在不同設(shè)計人員看來可能完全不同。在本文中，轉(zhuǎn)換器的全功率帶寬與轉(zhuǎn)換器的可用帶寬或采樣帶寬是不同的。全功率帶寬是轉(zhuǎn)換器用于精確捕獲信號以及內(nèi)置前端正確建立所需要的帶寬。在多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)換器的采樣帶寬目標(biāo)是在大約兩個奈奎斯特區(qū)撥入。轉(zhuǎn)換器通常也是以這種方式在其交流頻率規(guī)格范圍內(nèi)進行表征。

設(shè)計人員在轉(zhuǎn)換器指定區(qū)域外選擇中頻并不是個明智的選擇，因為系統(tǒng)的交流性能結(jié)果會存在較大差異，盡管轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊中說明了額定分辨率和性能，或顯示的全功率帶寬遠大于轉(zhuǎn)換器本身的采樣帶寬(可能是其兩倍)。設(shè)計應(yīng)圍繞采樣帶寬展開。所有設(shè)計都應(yīng)當(dāng)避免使用額定全功率帶寬的某一或全部最高頻率部分，否則動態(tài)性能 (SNR/SFDR) 會下降。為了確定高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣帶寬，請查閱數(shù)據(jù)手冊，或者咨詢應(yīng)用支持人員，因為有時候采樣帶寬并未明確給出。通常，數(shù)據(jù)手冊會規(guī)定甚至列出轉(zhuǎn)換器采樣帶寬內(nèi)經(jīng)過生產(chǎn)測試、能夠保證額定性能的頻率。然而，需要對行業(yè)中的這些帶寬術(shù)語做出更好的說明和定義。

了解轉(zhuǎn)換器帶寬和精度

所有的 ADC 都存在建立時間不精確的問題。記住，轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部前端必須具有足夠的帶寬 (BW)，才能精確地對信號進行采樣。否則，累積誤差將大于上文所述的結(jié)果。

一般而言，一個 ADC 的內(nèi)部前端必須在半個采樣時鐘周期內(nèi)建立 (0.5/fs，其中 fs = 采樣頻率)，這樣才能提供對內(nèi)模擬信號捕捉的精確表達。因此，對于一個 12 位 ADC (采樣速率為 2.5 GSPS，滿量程輸入范圍 (VFS) 為 1.3 V p-p) 來說，全功率帶寬 (FPBW) 可通過下列瞬態(tài)公式推導(dǎo)：

求解 t：

代入 τ = 1/(2 × π × FPBW)，一個時間常數(shù)，求解 FPBW：

令 t = 0.5/fs。這是樣本建立所需的時間，其中采樣周期為 1/fs：

這樣會使 ADC 內(nèi)部前端 FPBW 所需的帶寬最小。轉(zhuǎn)換器內(nèi)部前端需要這一大小的帶寬，以建立至 1 LSB 以內(nèi)并正確采樣模擬信號。這將需要通過數(shù)個時間常數(shù)來滿足這類 ADC 的 1 LSB 精度要求，其中1個時間常數(shù)等于 24 ps 或：

要了解 ADC 滿量程范圍內(nèi)達到 LSB 大小要求所需的時間常數(shù)數(shù)量，就需要找出滿量程誤差 % 或 VFSE?；?1 LSB = VFS/(2N)，其中 N = 位數(shù);或

和

表 1 列出了不同分辨率的轉(zhuǎn)換器與各自的位數(shù)、LSB 大小和 VFSE 的關(guān)系細分表。

表 1.轉(zhuǎn)換器分辨率明細表

通過描繪歐拉數(shù)或 eτ，可以繪出一條曲線，以便每次通過時間常數(shù)都能方便地看出相對誤差。從圖 2 可見，12 位 ADC 樣本建立至大約 1 LSB 以內(nèi)需時 8.4 個時間常數(shù)。

設(shè)計人員可通過這種分析來估算轉(zhuǎn)換器能處理的最大模擬輸入頻率或采樣帶寬，并依舊建立至 1 LSB 誤差以內(nèi)。超出這個范圍，則 ADC 無法精確表示信號。因此：

Fmax

時間常數(shù)數(shù)量

或

記住，這里表示的是最佳情形，并假定采用單極點 ADC 前端。并非所有現(xiàn)實中的轉(zhuǎn)換器都以這種方式工作，但這是一個很好的開端。

例如，上文描述的模型最高可適用至 12 位。但針對 14 或 16 位以及更高位則需要采用二階模型，因為細微的影響可使建立時間擴展至預(yù)測的一階模型以外。

圖 2.轉(zhuǎn)換器采樣精度與時間常數(shù)數(shù)量：ADC 精確建立至 ½ LSB 以內(nèi)所需要的時間常數(shù)數(shù)量。