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10多年來，模數轉換器(ADC)作為產業發展助力劑已在工業過程控制、醫療儀器、通信系統和雷達等產品中得到廣泛應用。其參數性能的不斷提高使得這些‘藍領’器件能緊跟上最新技術要求。 2007年2月份在舊金山舉辦的國際固態電路會議(ISSCC)展示了ADC的豐收成果。有關Nyquist Track的大量論文重新定義了這方面的技術發展水平，其中有兩個已進入新的領域。另外也不要忘記來自一般懷疑者的最新論點。 1 ICY ADC 來自IMEC和KU Leuven的論文“A Cryogenic ADC Operating Down to 4.2K”介紹了一種連續逼近寄存器(SAR)ADC。該ADC可用于溫度低至4.2K的應用場合，在這種溫度下晶體管的工作狀態有別于我們大多數人常見的狀態。該芯片是用傳統0.7mm CMOS技術實現的8位SAR。它的采樣率為3kHz，工作電壓為5V，在300pF負載電容下消耗350mW功率。 “用于X射線和遠紅外成像的低溫檢測器以及用于空間探索和粒子實驗的光譜學都要求附近電子器件也要冷卻到超低溫度。”該論文指出，“低溫ADC可提高冷熱電子器件之間的信號完整性�！� 低溫工作時會產生一種被稱為“載流凍結”的現象。低于77K溫度下的CMOS性能要好于正常溫度，這時的問題包括I-V傳輸特性中的磁滯異常，包括反向跨導區(圖1)。 作者采用類似經驗主義的設計方法創建了在正常環境溫度和4.2K之間能正常工作的CMOS ADC。他們使用從低溫晶體管測試中抽取的參數并用Spice仿真ADC的低溫特性。他們的芯片由“一個電容性DAC(數模轉換器)、一個電荷轉移預放(CTA)、一個閉鎖比較器和一個外部設置表SAR”組成(圖2)。 據作者介紹，“當把ADC從正常環境溫度冷卻到4.2K時，沒有觀察到由于低溫引起的不穩定性或磁滯現象，而INL(積分非線性誤差)從0.5增加到了20.8 LSB(最低有效位)，DNL(差分非線性誤差)從0.4增加到了1.1 LSB�！� 在“A 50GS/s Distributed T/H Amplifier in 0.18 mm SiGe BiCMOS”一文中，來自阿爾卡特-朗訊的作者介紹了一種基于分布式拓撲結構、50G樣點/秒的分布式跟蹤-保持型放大器(DTHA)。面臨高比特率光纖收發器和毫米波無線設備中越來越高的采樣速率壓力，他們采用分布式微帶線開發了三級DTHA來增加帶寬。該放大器的無寄生動態范圍(SFDR)要好于40dB。 “DTHA有一個集總輸入緩沖器，該緩沖器由一個發射極退化差分放大器及隨后的一對發射極跟隨器組成。輸入端有一個50V片上電阻提供良好的輸入匹配。輸入緩沖器提供一致的增益和非常低的輸出阻抗，可驅動分布式開關型發射極跟隨器和輸出緩沖器(SEFOB)電路�！闭撐闹赋�。 “為了避免輸入緩沖器輸出和分布式SEFOB輸入線的端點之間產生多次反射，差分放大器帶有50V的負載電阻，它近似匹配分布式SEFOB級電路的對等阻抗。所有構建模塊都采用有源電流源來增強低頻時的CMRR(共模抑制比)，并提供更靈活的電流調制方法�！闭撐闹袑懙�。 “分布式SEFOB電路由三個相同的SEF和通過平衡微帶傳輸線連接的輸出緩沖器組成�！闭撐倪�寫道，“時鐘分配是解決采樣抖動的最重要因素...[A]采用共發共基放大器架構來降低輸出的電容負載，并減少由于Miller電容引起的帶寬損失...分布式輸出電路產生順序性‘跟蹤’和‘保持’控制信號并提供給SEFOB單元。” 2 Delta-Sigma的絕技 在ISSCC的delta-sigma報告會期間，ADC設計師透露了在動態范圍和功耗方面取得的進步。例如，恩智浦公司提交的“A 56mW CT Quadrature Cascaded SD Modulator with 77dB DR (dynamic range) in a Near Zero-IF 20MHz Band”一文就介紹了一種帶連續(CT)正交環路過濾器的級聯delta-sigma調制器(圖3)。 “這一量化誤差信號Qi+jQq再饋給由環路濾波器QLF2、模數轉換器ADC2i和ADC2q以及數模轉換器DAC3i和DAC3q組成的第二級級聯電路。兩級電路的數字輸出都包含了量化誤差Qi+jQq，但轉移函數不同。因此，第二級輸出要饋給一個數字正交噪聲取消濾波器(QNCF)以便匹配這兩個轉移函數�！� “從第一級數字輸出的延遲值中減去QNCF輸出就可抵消Qi+jQq。結果信號Yi+jYq在有用頻段內的量化噪聲就非常小。最后，正交抽取濾波器(QDF)還會濾除帶外的量化噪聲�！闭撐目偨Y道。 再看看其它架構。“A 10b 160MS/s 84mW 1V Subranging ADC in 90nm CMOS”一文的觀點是，子區型(subranging)ADC非常適合混合信號ASIC。加利福尼亞大學洛杉磯分校(UCLA)的Huber等人編寫的這篇論文介紹了一款帶完整THA的10位、160兆樣點/秒的子區型ADC(5位粗ADC、6位精確ADC，帶相關的預放和比較器)。 原型功耗在1V時為84mW，在整個奈奎斯特頻段上該器件可以獲得好于9.1的等效數字或位(ENOB)和75dB的無寄生動態范圍(SFDR)，到200MHz時仍有8.5的ENOB和7dB的SFDR。在設計中粗ADC和精確ADC的取樣開關用相位相反的時鐘驅動，因此精確ADC延時增加了1/2個時鐘周期，從而使粗ADC有足夠的時間執行它自己的量化。 來自UCLA的另外一個小組與臺灣的Realtek合作提交了“An 11b 800MS/s Time-Interleaved ADC with Digital Background Calibration”論文。這篇文章詳細介紹了一款針對雙絞線上提供10GBastT(IEEE 802.3an)應用而設計的時間交叉采樣ADC。這種ADC必須有800兆樣點/秒的處理速度，帶寬有400MHz，ENOB大于9位。 采用90nm CMOS工藝完成的上述設計使用了4個取樣速率為200MHz的交織管線式子ADC、數字校正邏輯、參考電壓緩沖器和一個時鐘發生器。它在子ADC對之間還采用了運放共享技術。每個子ADC由12個1.5位/級乘法DAC組成，可生成12位輸出，有兩個額外的位用于校正。 該器件的原型功耗約12mW。在采樣率為800MHz時，DNL和INL分別小于0.5和1.6LSB。校正后的信噪加失真率(SINAD)在15MHz和400MHz輸入時分別為58dB和54dB。 3 最新的通信芯片 凌力爾特公司的LTC2285是用于數字化高頻、寬動態范圍信號的雙路、14位、125MS/s、低功耗的3V ADC。這款ADC主要設計用于WiMAX基站，它的高數據速率將達到目前標準62MS/s轉換器的兩倍。 LTC2285的交流性能參數包含奈奎斯特頻點處的72.2dB SNR和82dB SFDR。典型的直流參數包括61.5 LSB INL和60.6 LSB DNL。轉換噪聲是1.3 LSB(rms)。該芯片的工作電壓是3V，但獨立的輸出電壓允許輸出驅動0.5到3.6V的邏輯電路。目前該芯片已有樣品供應，批量生產將在9月份開始。起價為73.5美元。 用于類似應用的AD9640是模擬器件公司(ADI)推出的雙路、14位、采樣速度超過135MS/s的ADC。該器件在中頻為70MHz時的SNR是72.7dBFS，SFDR是85dBc。中頻最高可達450MHz。為了簡化時鐘和減少抖動，AD9640內置有自己的時鐘分頻器，因此可以在基站DAC使用的同一時鐘下工作。 為了簡化自動增益控制(AGC)，芯片專門包含了兩塊電路。一塊電路用于監視輸入的復合信號功率，并產生緩慢響應的增益加/減信號。另一塊電路工作于快速檢測(FD)模式，可以在最少兩個時鐘周期內檢測出輸入的超范圍狀態，并立即降低增益以避免過度驅動模擬前端。 AD9640具有12和14位分辨率，采樣速率有80、105、125和150MS/s四種。14位版本的成本在37.5到87.5美元之間。 2006年年底時，TI公司發布了一款12位、500MS/s的管線型ADC產品，型號為ADS5463。在全速轉換條件下其SNR可達64.5 dBFS，輸入頻率可達500MHz。ADS5463可提供84dBc的SFDR，10.5的ENOB，功耗為2.25W，起價為125美元。 2007年1月份，TI還推出了ADS5547和ADS5527。這兩個分別為14位和12位、210MS/s的ADC現在是引腳兼容、高速ADS55xx系列中性能最好的產品。在70MHz的輸入頻率下，它們能提供高達73.3dBFS的SNR和85dBc的SFDR。 這兩款ADC有一個特殊功能，即在低壓差分信號(LVDS)和CMOS輸出模式下，輸出時鐘可以在默認位置左右移動。這可以通過一個封裝引腳或通過串口實現。移動時鐘可實現建立和保持時間之間的調節。還可以調整輸出時鐘邊沿與數據轉換的關系。ADS5547的起價是82.5美元。 有關ADS5547的最引人注目的事之一是在產品手冊中使用顏色顯示性能曲線(圖4)。在曲線圖中的備注說明指出：“所有圖的條件都是25C，AVDD=DRVDD=3.3V，采樣頻率=210MSPS，正弦波輸入時鐘，1.5 VPP差分\時鐘幅度，50%的時鐘占空比，21 dBFS差分模擬輸入，內部參考模式，0dB增益，DDR LVDS數據輸出(除非另外說明)�！� 國家半導體公司(NS)也發布了有16位器件成員的管線ADC系列產品，其中性能最好的是帶串行LVDS輸出的14位、雙路105MS/s芯片。典型的性能參數包括240MHz輸入時72dB的SNR和83dB的SFDR。該系列產品由單路和雙路、12位和14位、采樣速率從65到105MS/s的轉換器組成。最頂級的ADC14DS105起價為82.35美元。 在高端采樣率方面，NS推出了8位、超高速ADC系列產品。這些產品基于其現有的折疊/內插式架構，可提供6GS/s的數據捕獲速率，功耗為3.6W。它們采用一對3GS/s ADC0-83000 ADC交織的技術，無需額外的時鐘調整電路。ADC08300的滿功率輸入帶寬為3GHz。 NS公司還采用相同的架構開發了ADC0B83000器件。該器件整合了上述“不帶B”版本器件的3GS/s采樣率和一個可編程的4kB緩存，主要用于雷達和光信號檢測以及距離修正(激光雷達)等應用場合。在這些應用場合，數據都是突發式捕獲，并以較低的數據速率傳送。 不帶緩存的基本ADC083000具有3GHz的全功率帶寬。因此它即使在第二奈奎斯特頻段中也能采樣寬帶信號。通過調整片上的采樣時鐘相位，設計師無需外部時鐘調整電路就可以在板上交織多個ADC。ADC083000可針對簡單的數據捕獲提供標準的1:4復分接輸出，或針對精減的引腳數量提供新的1:2輸出模式。它還能在輸出端提供測試圖案用于系統設計和測試。 當以3GS/s采樣750MHz輸入信號時，ADC083000通常能達到7.0的ENOB、44dB的SNR和54dB的SFDR。帶緩存的ADC08B3000在采樣后可將數據存儲在4kB的FIFO中。一條或兩條8位CMOS輸出總線再以較低的速率將FIFO中的數據傳送到ADC外部的處理器。最高速度是400MB/s。ADC083000在1000片批量時的價格為523美元。 |
