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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(lái)實(shí)現(xiàn)。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體首推的ADC081000芯片是一款模擬輸入帶寬高達(dá)1.8GHz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(jiǎn)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(guò)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(lái)說(shuō),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(guò)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(wèn)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(lái)說(shuō),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(guò)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(guó)國(guó)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(wú)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(lái)說(shuō),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:信噪比二-20log(航半f觀沁)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(jiǎn)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(wú)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(guò)程同步的輸出時(shí)鐘,以便簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)捕捉過(guò)程。運(yùn)作過(guò)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(guò)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1GSPS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?jī)x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(wú)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(guò)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(lái)信號(hào)的高頻部分及振幅。這樣,方波便無(wú)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(lái)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。ENOBVsItiputFrequencyOTfl W 6? BCD 1O? 12?MWIWC1WInputfrequency[MHsJ133ADCOB100D與其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的性能比52RD.comOTfl W 6? BCD 1O? 12?MWIWC1WInputfrequency[MHsJ133ADCOB100D與其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的性能比52RD.com另外一個(gè)典型的應(yīng)用是數(shù)字無(wú)線電接收器。多年來(lái)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(wèn)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(guò)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(wú)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
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