基于連續(xù)時間、?-Σ高速ADC的寬帶模擬前端技術(shù)分析

連續(xù)時間?-Σ （CTDS） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 是音頻系統(tǒng)、電話聽筒和移動電子產(chǎn)品的首選架構(gòu)。這種ADC架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高效集成、減少信號鏈和低功耗等優(yōu)勢。當(dāng)高動態(tài)范圍和功率效率是主要要求時，CTDS ADC的性能優(yōu)于其他類別的ADC，但其他類型的ADC（如流水線ADC）由于其轉(zhuǎn)換寬帶模擬輸入信號的能力，一直是蜂窩通信基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的主流選擇。

ADI公司最近推出的技術(shù)突破現(xiàn)在允許CTDS ADC以非常高的頻率對寬帶信號進(jìn)行數(shù)字化處理。這克服了以前的限制，還使CTDS ADC引入的寬帶系統(tǒng)具有顯著的系統(tǒng)級優(yōu)勢，使其在低頻應(yīng)用中普遍存在。

本文介紹了此類最新創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)。特別是討論了模擬前端，包括其核心的寬帶CTDS帶通ADC，用于通信和儀器儀表系統(tǒng)中高頻信號的數(shù)字化和下變頻。嵌入式帶通ADC不需要外部抗混疊濾波器和驅(qū)動放大器/緩沖器，從而大大減少了信號鏈的元件數(shù)量和功耗，并放寬了其整體規(guī)格。此外，還集成了片上可編程數(shù)字濾波和下變頻，為設(shè)計(jì)人員提供了完整且易于使用的解決方案。

連續(xù)時間?-Σ （CTDS） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器1多年來，模數(shù)級架構(gòu)一直是從高性能音頻到蜂窩手機(jī)RF前端等廣泛應(yīng)用的首選，因?yàn)榕c其他類型的ADC相比具有許多優(yōu)勢。好處包括更高的集成便利性和低功耗，而且可能更重要的是，因?yàn)槭褂肅TDS可以解決許多重要的系統(tǒng)級問題。由于許多技術(shù)缺陷，CTDS的使用以前僅限于相對較低的頻率/帶寬和較低的動態(tài)范圍。因此，高性能奈奎斯特速率轉(zhuǎn)換器，如流水線和逐次逼近型ADC，一直是高性能/高頻數(shù)字化應(yīng)用的主流解決方案。

然而，ADI公司推出的技術(shù)突破克服了許多先前的限制。因此，使基于CTDS的高速ADC能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能規(guī)格、強(qiáng)干擾源下的穩(wěn)定性、可編程的頻率響應(yīng)，進(jìn)而能夠解決蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)和選定的高性能儀器應(yīng)用中的許多重要信號處理問題。

為了更好地理解這一點(diǎn)，讓我們考慮一個用于通信系統(tǒng)的經(jīng)典外差接收信號鏈。采用主流開關(guān)電容奈奎斯特速率、高速ADC的傳統(tǒng)方案如圖1（a）所示。在這里，混頻器產(chǎn)生的中頻（IF）信號需要緩沖，并可能使用驅(qū)動放大器進(jìn)行放大。奈奎斯特ADC還需要抗混疊濾波器（AAF），有時由表面聲波（SAW）濾波器或多極分立SMD濾波器實(shí)現(xiàn)。最后，所需的IF無線電信號到達(dá)ADC。其輸出以高采樣速率fs（fs/2遠(yuǎn)大于中心/IF頻率）計(jì)時，通過通信數(shù)字ASIC進(jìn)一步處理（濾波并下變頻為基帶）。

圖1.通信系統(tǒng)的經(jīng)典外差接收信號鏈，使用（a）具有奈奎斯特速率開關(guān)電容ADC的傳統(tǒng)方案和（b）使用連續(xù)時間?-Σ ADC。

使用CTDS時，相同的處理鏈大大簡化，如圖1（b）所示。由于CTDS具有阻性輸入，因此可以直接由混頻器驅(qū)動，不需要驅(qū)動放大器。此外，CTDS的內(nèi)核包括一個CT模擬濾波器，該濾波器隱式執(zhí)行AAF功能，因此可以取消2使用輸入 SAW/SMD 分立濾波器。此外，CTDS還可以具有帶通濾波器頻率特性（實(shí)際測量示例見圖2），可調(diào)諧到以所需的IF輸入頻率為中心，并具有顯著的帶外衰減。這種通帶經(jīng)過過采樣、數(shù)字化，然后被數(shù)字抽取并下變頻為基帶，并以比圖1（a）低得多的數(shù)據(jù)速率（和更低的功耗）提供給數(shù)字ASIC。

圖2.來自帶通CTDS的實(shí)驗(yàn)數(shù)字化輸出（藍(lán)色實(shí)線），輸入單音為1 GHz，帶寬設(shè)置為75 MHz，中心頻率為1 GHz，噪聲帶寬為366.2 kHz。?-Σ頻率將轉(zhuǎn)換量化噪聲塑造為目標(biāo)通帶內(nèi)的低電平（較高的動態(tài)范圍），而帶外功率較高。帶通頻率特性的陷波在上圖中清晰可見（以1 GHz和75 MHz寬為中心）。疊加的紅色虛線表示相應(yīng)的信號傳輸特性，在所需的輸入頻帶上具有明顯的平坦度。下圖顯示了75 MHz寬帶內(nèi)放大的細(xì)節(jié)。后者隨后以非常高的選擇性進(jìn)行數(shù)字濾波（完全抑制帶外內(nèi)容，包括較高的本底噪聲、任何帶外失真以及75 MHz寬帶左右兩側(cè)的帶外阻塞信號），并在CTDS輸出端返回之前下變頻為基帶。

上述系統(tǒng)級簡化是CTDS與其他高速ADC架構(gòu)之間基本架構(gòu)差異的直接結(jié)果。

這種簡化的額外好處是巨大的。在圖1（a）中，驅(qū)動放大器的功耗可能與ADC本身相當(dāng)，同時影響鏈路的整體噪聲系數(shù)。圖 1（a） 中的 AAF 不容易集成。此外，需要為每種IF（和頻率規(guī)劃）選擇和特定信號鏈實(shí)現(xiàn)選擇合適的新濾波器。經(jīng)驗(yàn)豐富的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員知道，濾波器的實(shí)現(xiàn)通常非常耗時，因?yàn)橛捎谂c奈奎斯特ADC前端采樣電路的非線性相互作用，具有相同濾波器功能的不同元件選擇會導(dǎo)致線性度性能大不相同。相反，在圖1（b）中，去掉了AAF濾波器，前端采樣電路被CTDS的良性電阻輸入取代，濾波功能由CTDS執(zhí)行，其頻率特性在ADI公司的技術(shù)中實(shí)現(xiàn)了數(shù)字編程。因此，相同的CTDS可以在多個信號鏈中互換使用，并以數(shù)字方式調(diào)諧到所需的頻率和帶寬，從而大大簡化和加速整個平臺開發(fā)過程。毋庸置疑，對于相同的功能和性能，圖1（b）中的信號鏈具有比圖1（a）中更低的功耗和更小的外形尺寸。

ADI公司的AD6676提供了該技術(shù)的實(shí)例，其功能框圖如圖3所示。后者是一個集成的IF數(shù)字化子系統(tǒng)，嵌入了一個具有非常高瞬時動態(tài)范圍的可調(diào)諧帶通CTDS，以及數(shù)字濾波和下變頻功能、自動增益控制支持、集成時鐘合成器和JESD204B串行輸出接口。通帶的中心頻率（IF）可以在70 MHz和450 MHz之間進(jìn)行數(shù)字調(diào)諧，其帶寬可以編程為20 MHz和160 MHz之間，并具有不同的帶內(nèi)噪聲頻譜密度。

圖3.ADI公司AD6676的功能框圖。

該器件的性能如其數(shù)據(jù)手冊所示，適用于各種寬帶蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備和中繼器、點(diǎn)對點(diǎn)微波設(shè)備、頻譜分析儀、通信儀器和許多其他功能。

結(jié)論

當(dāng)使用連續(xù)時間?-Σ ADC時，可以實(shí)現(xiàn)重要的信號鏈簡化和性能優(yōu)化，以及更高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性和減少開發(fā)工作量。這些架構(gòu)的一些優(yōu)勢以前使它們在各種低功耗和移動應(yīng)用中很常見。得益于最近多項(xiàng)IC技術(shù)的突破，CTDS現(xiàn)在還能夠滿足許多通信基礎(chǔ)設(shè)施和儀器儀表系統(tǒng)嚴(yán)格的ADC高動態(tài)性能要求，同時在存在強(qiáng)帶內(nèi)和帶外干擾源的情況下保持穩(wěn)定運(yùn)行。嵌入帶通CTDS高速轉(zhuǎn)換器的IF子系統(tǒng)具有可編程中心頻率（IF）和帶寬，結(jié)合數(shù)字下變頻和濾波后處理后端級以及其他集成功能，為軟件無線電應(yīng)用提供了非常靈活和強(qiáng)大的解決方案。此外，它還進(jìn)一步消除了主流ADC技術(shù)規(guī)定的許多額外的信號調(diào)理模塊，從而降低了整體系統(tǒng)電平，提高了靈活性，并優(yōu)化了信號鏈的性能。

審核編輯：郭婷