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功耗/效能稳定性表现出色的CTDS ADC突破高频设计瓶颈

ADI_Amy 員工 在 2015-8-31 建立的討論區

Gabriele Manganaro (亚德诺半导体高速数据转换器工程总监)

 

连续时间积分三角(CTDS)模拟数字转换器(ADC)是使用于音频系统、手机,以及行动电子装置的架构首选。此ADC架构能够实现高效率整合、讯号链缩减、低功耗及其他优点。虽然在高动态范围与功率消耗是主要需求的情况下,CTDS ADC的性能超越其他等级的ADC,然而其他类型的ADC已经成为蜂巢式通讯基础架构系统的主流选择,此乃归功于能够转换极低波段模拟输入讯号的能力。

 

ADI发表的最新技术突破,目前正在促使CTDS ADC能够将宽带讯号以非常高的频率数字化。此技术不仅克服以往的限制,同时也实现由CTDS ADC所带来的显著系统层级优点--在更广大波段系统中亦然,并使它们普遍存在于较低频率的应用中。

 

本文所介绍是这类型创新的一种实现方案。特别是模拟前端,包括其核心的宽带CTDS带通ADC(用来将通讯与仪器系统中高频率讯号予以数字化与降频转换)都将会加以讨论。嵌入式带通ADC不需要外部的抗锯齿滤波器及驱动放大器/缓冲器,此将大幅的减少讯号链的组件数量、功率消耗,并且放宽其整体规格。此外,芯片内建的可编程数字滤波器与降频转换也都加以整合,为设计者提供完整而且易于使用的解决方案。

 

CTDS解决多数系统层级问题

CTDS ADC成为广泛应用领域中,模拟数字转换架构的首选已有许多年,此乃因为其具有许多优于其他类型ADC优点,包括更易于整合及低功耗等,但同时更重要的是使用CTDS可以解决许多显著的系统层级问题。

 

由于大量的技术方面缺点,以往在使用CTDS时一直受限于相对较低的频率/带宽、较低的动态范围。因此,截至目前为止,高性能耐奎斯特速率转换器,已经成为高性能/高频率数字化应用装置的主流解决方案。

 

然而,目前新技术已经克服许多主要限制。因此,制作以CTDS为基础的高速ADC能够更显著实现更高性能规格、在强大干扰出现时的稳定度、可编程的频率响应,进而成为蜂巢式基础架构系统中,大量重要讯号处理问题的解决方案,以及值得选择的高性能仪器应用。

 

为更进一步了解,假设有一组使用于通讯系统的外差式接收器讯号链,使用主流切换式电容器耐奎斯特速率的传统架构,高速ADC描绘如图1(a)。于此,由混频器所生成的中频(IF)讯号必须要加以缓冲,而且可能要利用驱动放大器予以放大。耐奎斯特ADC也需要一组抗锯齿滤波器(AAF),有时候是以一组表面声波(SAW)滤波器或是多极离散式SM滤波器来加以执行。最后,所需要的IF无线电讯号就会到达ADC,以高采样率fs(以显著大于中央/IF频率的fs/2)记录时间,其输出会由通讯数字ASIC做进一步的处理(滤波以及降频转换至基频带)。

图1 使用于通讯系统的典型外差式接收器讯号链,分别为使用(a)具有耐奎斯特速率切换式电容器ADC传统架构,以及(b)连续时间积分三角ADC予以执行。

 

图1 使用于通讯系统的典型外差式接收器讯号链,分别为使用(a)具有耐奎斯特速率切换式电容器ADC传统架构,以及(b)连续时间积分三角ADC予以执行。内容

 

当使用如图1(b)中所示的CTDS时,相同的处理链会有明显的简化。由于CTDS具有电阻输入,因此可以由混频器直接加以驱动,而且不需要驱动放大器。此外,CTDS的内部核心包含有一组可以背景执行AAF功能的CT模拟滤波器,因而能够不须要输入SAWSMD离散式滤波器。再者,CTDS可以具备带通滤波器的频率特性(图2)能够调整至所需IF输入频率的中央,并且具有显著的波段外衰减。这种通带会被加以超取样、数字化,而且会以数字方式锐减并降频转换至基频带,然后以相较于图1(a)当中低许多数据速率提供给数字ASIC。

 

图2 ADI AD6676功能方块图

 

图2 ADI AD6676功能方块图

 

上述的系统层级位准简化是CTDS与其他高速ADC架构之间的基础架构差异,所造成的直接结果。

 

CTDS ADC兼顾功耗尺寸

经过如此简化后的额外优点是相当丰富的。在图1(a)当中,驱动放大器可能会消耗掉相当于ADC本身的功率,进而冲击到讯号链的总体噪声系数,此图当中的AAF可能无法轻易的加以整合。另外,新的滤波器必须要针对中频(IF)以及频率计划,与特定讯号链执行方案的每个选择进行适当的挑选。有经验的系统设计者知道滤波器的执行往往可能会非常的耗费时间,因为挑选具有相同滤波器功能的不同组件,可能会因为与耐奎斯特ADC前端取样电路的非线性相互作用,而导致全然不同的线性度性能。

 

相对的,在图1(b)当中移除AAF滤波器并且以CTDS的良性电阻输入取代前端取样电路,滤波的功能由CTDS加以执行,而其频率特性已经透过ADI的技术制做为数字可编程的型态。因此,使用于多重讯号链当中极为相似的CTDS可以互换,并以数字方式调整至所需要的频率与带宽,大幅简化与加速整体平台开发程序,对于相同的功能与性能而言,无庸置疑的是图1(b)当中的讯号链具有比图1(a)更低的功率消耗与较小的尺寸。

图1 使用于通讯系统的典型外差式接收器讯号链,分别为使用(a)具有耐奎斯特速率切换式电容器ADC传统架构,以及(b)连续时间积分三角ADC予以执行。

图1 使用于通讯系统的典型外差式接收器讯号链,分别为使用(a)具有耐奎斯特速率切换式电容器ADC传统架构,以及(b)连续时间积分三角ADC予以执行。

 

AD6676即为此项技术的典型范例(图2),此为一套嵌入一组具有非常高的瞬间动态范围与数字滤波和降频转换功能、自动增益控制支持、整合式频率合成器,以及JESD204B串连输出接口的可调节式带通CTDS的整合式IF数位子系统。通带的中频可以在70M、450MHz之间以数字方式调整,而其带宽也可以用不同的带内噪声光谱密度进行编程,使介于20M、160MHz之间。

 

图2 ADI AD6676功能方块图

 

图2 ADI AD6676功能方块图

 

该组件的性能就如同数据表中所载,非常适合使用于各种宽带蜂巢式基础架构设备与转发器、点对点微波设备、频谱分析仪、通讯仪器,以及许多其他的功能。

 

CTDS为软件无线电应用提供强大解决方案

重要讯号链的简化与性能的优化,以及更高的系统设计弹性和降低开发所需投入的心血,在使用连续时间积分三角ADC之后都能够加以实现。受惠于大量新近IC技术的突破,CTDS目前也能够符合许多通讯基础架构与仪器系统的严苛ADC高动态性能需求,同时在强大的带内与带外干扰出现时维持稳定的运作。

 

内嵌带通CTDS高速转换器具有可编程中频与带宽,并结合数字降频转换和滤波后级处理的后端级,以及其他整合式功能的中频子系统,能够为软件无线电应用装置提供非常弹性化而且强大的解决方案。此外,它也可以使整体的系统层级降低,提高弹性,并且透过进一步消除大量额外的讯号调节区块,而非采用主流ADC技术以实现讯号链的优化。

結果