采用FemtoCharge技术的高速、高分辨率、低功耗的新一代ADC 技术, 分辨率, 文章

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采用FemtoCharge技术的高速、高分辨率、低功耗的新一代ADC 更新于2012-03-26 04:19:04 文章出处:Ed Kohler, Mark Rives和Dave Carr Intersil公司
FemtoCharge 分辨率 ADC

先进的系统架构和集成电路设计技术，使得模数转换器 (ADC) 制造商得以开发出更高速率和分辨率，更低功耗的产品。这样，当设计下一代的系统时，ADC设计人员已经简化了很多系统平台的开发。例如，同时提高ADC采样率和分辨率可简化多载波、多标准软件无线电系统的设计。这些软件无线电系统需要具有数字采样非常宽频范围，高动态范围的信号的能力，以同步接收远、近端发射机的多种调制方式的高频信号。同样，先进的雷达系统也需要提高ADC采样率和分辨率，以改善灵敏度和精度。在满足了很多应用的具体需求，ADC的主要性能有了很大的提高的同时，ADC的功耗也有数量级的下降，进一步简化了系统散热设计和更小尺寸产品的设计。

在通信应用领域，采用单个ADC数字化整个频段，而不是有限数量的信道，可简化接收机设计。为此，整个频段必须在ADC的一个奈奎斯特区覆盖范围内，也就是说，采样率 (Fs) 必须至少是有效频谱带宽 (BW) 的两倍 (FS ≥ 2*BW)。然而采用更高的采样率可简化抗混叠滤波器和接收机前级的设计。例如，采用184.32MSPS采样率加高选择性滤波器可以数字化整个75MHz GSM频段。滤波器限制在三阶，要求ADC的二次谐波失真 (H2)要优于-75dBc。如图1所示，上限带边至混叠回来的第一个干扰谐波的频率间隔仅为25.74MHz。如果采样率提高到491.52MSPS，如图2所示，最近处的混叠镜像可移至距带边140.04MHz处，从而减轻滤波器和驱动器组合的要求。图3所示为两个假定的三阶沙漏型滤波器的频响。在491.52MSPS的情况下，干扰至带边的频率间隔增加114MHz，这样滤波器的设计更简单，可采用更平缓衰减的滤波器，可以使用二次谐波性能指标小23.5dB的低功耗ADC驱动器。

图1.  H2图像分离，Fs = 184.32MSPS。

图2.  H2图像分离，Fs = 491.52MSPS。

图3.  两个三阶沙漏型滤波器的频响。

此外，有效频段过采样使得无线电系统设计更灵活地处理多种频段的信号。许多情况下，过采样可以很轻松地将二次和/或三次谐波放在带外的位置。这种功能可在中心频率为194.5MHz的55MHz带宽的条件下，将14位500 MSPS ADC已有的优异高频SFDR特性再改善8dB。     

采样率达491.52MSPS 的高分辨率ADC，处理中心频率为122.88MHz的75MHz带宽的信号，不会受任何混叠回来的二次谐波的干扰，如图4所示。由于二次谐波的干扰信号在带外，在数字域很容易滤除掉这些干扰信号。这样有助于进一步降低滤波器和ADC驱动器的要求，从而简化无线电系统的设计，降低整个系统的。

图4. 75MHz接收机频率计划，采样率491.52MSPS

过采样的另一个优点是改善所需信道的本底噪声。这可以通过看每Hz的噪声，而不是以典型奈奎斯特带宽的噪声来理解。等式SNR [dBFS/Hz] = SNR [dBFS/Nyquist] + 10*log10(Fs/2) 用于两种单位之间的换算。采用上述491.52MSPS采样率，奈奎斯特带宽信噪比为73dBFS的ADC，其SNR/Hz为156.9dBFS/Hz。同样奈奎斯特带宽信噪比的ADC，采样率为184.32MSPS时，输出噪声仅为152.6dBFS/Hz。相比通道带宽低于奈奎斯特采样频率的低采样率转换器，提高采样率，信噪比可改善4.3dB。或者另一种计算方法，按10*log10(Fs1/Fs2) 计算来看信噪比的改善。当Fs1=491.52MSPS，FS2=184.32MSPS时，同样可以得到4.3dB的改善效果。

当ADC符合上述高动态范围和高采样率的要求时，这类设备的功耗成为一个重要的指标。前几代ADC在采样率低、动态范围窄的同时，耗电量达几瓦。如此高的功耗除会明显影响系统各方面的性能之外，还增加了电费支出，减少了电池寿命。因为不得不处理ADC的数瓦功耗所产生的热量限制了其在很多应用场合中的使用。除了处理散热的问题，温度升高不仅使数据转换器，而且给所有周边器件和电路带来性能和可靠性方面的问题。由于存在这些问题，能够满足各种设计性能目标，同时功耗低于1W的ADC，大大减少了设计中的额外的限制和约束。

超高能耗显而易见的一个问题是用电量。对于需要成千上万个元件的应用来说，元器件每毫瓦电量消耗都要精打细算。例如，36,000个 4G基站网络中，每个元件节省1.5W，运营商可以节省50kW电费。同时，尽管这些基础设施设备一般不用为电池供电，但这些系统往往需要备用电池。减少系统功耗可降低备用电池的要求和成本。      

高功耗的另一个问题是这些器件产生的热量。对于小型机箱和阵列设计等元件间隔有限的应用，这是特别重要的考虑因素。许多电信应用中，电路板采用机架固定，板与板之间垂直间距约为1”。这种配置环境下，很难容下几瓦耗电量器件一般所需的散热器。此外，在相控阵雷达等元件间隔是微波信号波长函数的应用中，热密度会变得非常高。

显然，ADC的进步可以在广泛的应用中体现出大量优点。例如，14位500MSPS ADC直流电源耗电量低于1W。这样，基站接收机可以数字化整个75MHz GSM频段，采用低功耗ADC驱动器和简单的信道过滤，不需要大电流线性电源降压方案，以及大体积散热器和风扇。同样，这种ADC有助于推动先进相控阵雷达的设计。其极高的采样率和分辨率在提高灵敏度的同时，可以降低功耗，从而简化散热设计，特别是在元件间隔很小的环境下。因此，ADC技术的进步有助于提高采用这种器件的系统的性能、可靠性并降低成本。

Intersil了解设计人员开发高性能系统面临的挑战，推出满足这些应用严苛要求的系列转换器。该系列首款ADC ISLA214P50IRZ是一种14位 500MSPS  ADC，功耗仅为925mW，信噪比高于73dB。由于具有超高采样率、极高的动态范围和超低功耗，这款转换器是宽带通信、雷达和卫星天线阵列处理、高性能数据采集、功率放大器线性化和通信测试设备等应用的理想之选。其中许多优点得益于公司自主研发的FemtoCharge®，这是Intersil开发的一种电荷域信号处理技术。Femtocharge的基本概念是以电荷量，而不是电压表示信号。尽管听起来差别不大，但对于模拟信号处理电路的功耗却具有重大影响，如ADC。这是因为电压不是物理实体，而是电位的测量值。对比之下，电荷量是构成势能的物理实体。

打个比方，可将电压比为八盎司水，电荷则是水分子。在流水线架构电压传输的ADC中，每次信号处理时必须重新注入信号。换句话说，基于电压的ADC要想使用其信号 (八盎司水)，就得准确倒入一杯新的八盎司水。结束后，八盎司水就扔掉了。而基于电荷的ADC中，信号 (我们的水分子) 可在每次数学运算时重复使用。从本质上说，是由一杯倒入另一杯。通过储备用于后续运算的水分子，ADC显著提高了效率。由于不再重新注入信号，我们在将水由一杯倒入另一杯时必须当心不要遗撒出来，这是Femtocharge技术面临的实际挑战，但一般来说，准确传输信号所需的电量要比重新注入信号小得多。      

关于作者:

Edward Kohler现任Intersil公司高速数据转换器高级战略营销经理，已从事八年高速ACD设计和销售工作。他获得密歇根理工大学BSEE学位、密歇根大学MSEE学位和耶鲁大学MBA学位。

Mark Rives现任Intersil公司应用总工程师，为高速数据转换器提供支持。在负责应用业务之前，他曾从事十余年各种IC设计工作，主要产品包括ADC、DAC和通信系统。Mark获得密西西比州立大学BSEE学位。

Dave Carr现任Intersil公司数据转换产品应用经理，15年来一直从事高速ACD和DAC开发工作。他获得宾汉姆顿大学BSEE和MSEE学位。