基于連續(xù)時(shí)間的寬帶模擬前端，降低了高性能通信和儀表系統(tǒng)的功耗

連續(xù)時(shí)間Δ-Σ（CTDS）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是音頻系統(tǒng)，電話手機(jī)和移動(dòng)電子產(chǎn)品的首選架構(gòu)。該ADC架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高效集成，信號(hào)鏈減少和低功耗等優(yōu)勢。雖然CTDS ADC在高動(dòng)態(tài)范圍和功率效率是主要要求時(shí)優(yōu)于其他類型的ADC，但其他類型的ADC（如流水線ADC）已成為蜂窩通信基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的主流選擇，這要?dú)w功于它們能夠轉(zhuǎn)換寬帶模擬輸入ADI公司最近推出的技術(shù)突破現(xiàn)在允許CTDS ADC以非常高的頻率數(shù)字化寬帶信號(hào)。這克服了先前的局限性，并且還使CTDS ADC引入的更寬頻帶系統(tǒng)具有顯著的系統(tǒng)級優(yōu)勢，使其在低頻應(yīng)用中普及。

本文介紹了此類最新創(chuàng)新的實(shí)施。特別地，討論了模擬前端，包括其核心處的寬帶CTDS帶通ADC，用于通信和儀器系統(tǒng)中的高頻信號(hào)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(dòng)放大器/緩沖器，大大減少了信號(hào)鏈的元件數(shù)量，功耗，并放寬了整體規(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(shí)間Δ-Σ（CTDS）ADC 1 由于與其他類型的ADC相比具有許多優(yōu)勢，多年來一直是高性能音頻到蜂窩手機(jī)RF前端等廣泛應(yīng)用的模擬 - 數(shù)字架構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)包括更高的集成適應(yīng)性和低功耗，但也可能更重要的是，因?yàn)槭褂肅TDS可以解決許多重大的系統(tǒng)級問題。由于許多技術(shù)缺點(diǎn)，CTDS的使用先前已限于相對較低的頻率/帶寬和較低的動(dòng)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，已成為高性能/高頻數(shù)字化應(yīng)用的主流解決方案。

然而，ADI公司最近推出的技術(shù)突破已經(jīng)克服了許多先前的限制。因此，基于CTDS制作高速ADC能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能規(guī)格，存在強(qiáng)干擾時(shí)的穩(wěn)定性，可編程頻率響應(yīng)，從而能夠解決蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的許多重要信號(hào)處理問題并選擇高性能儀器應(yīng)用等。

為了更好地理解，我們考慮一下，通信系統(tǒng)的經(jīng)典外差接收信號(hào)鏈。使用主流開關(guān)電容器奈奎斯特速率的傳統(tǒng)方案，高速ADC如圖1（a）所示。這里，混頻器產(chǎn)生的中頻（IF）信號(hào)需要被緩沖并且可能使用驅(qū)動(dòng)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(shí)通過表面聲波（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(hào)到達(dá)ADC。其輸出采用高采樣率fs（fs / 2遠(yuǎn)大于中心/ IF頻率），通過通信數(shù)字ASIC進(jìn)一步處理（濾波和下變頻到基帶）。

< p>使用CTDS時(shí)，相同的處理鏈大大簡化了，如圖1（b）所示。由于CTDS具有電阻輸入，因此可以由混頻器直接驅(qū)動(dòng)，不需要驅(qū)動(dòng)放大器。此外，CTDS的內(nèi)核包括一個(gè)CT模擬濾波器，它隱含地執(zhí)行AAF功能，因此允許用輸入SAW / SMD離散濾波器消除 2 。此外，CTDS可以具有帶通濾波器頻率特性（實(shí)際測量的示例見圖2），可調(diào)諧到所需IF輸入頻率的中心，并具有顯著的帶外衰減。這種通帶被過采樣，數(shù)字化，并且被數(shù)字抽取并下變頻到基帶，并以比圖1（a）的情況低得多的數(shù)據(jù)速率（并且具有更低的功耗）提供給數(shù)字ASIC。

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(dòng)放大器可以消耗與ADC本身相當(dāng)?shù)墓β剩瑫r(shí)影響鏈的整體噪聲系數(shù)。圖1（a）中的AAF不能輕易集成。此外，需要針對IF（和頻率規(guī)劃）和特定信號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)的每個(gè)選擇適當(dāng)?shù)剡x擇新的濾波器。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(shí)，因?yàn)榫哂邢嗤瑸V波器功能的不同組件選擇可能由于與奈奎斯特ADC的前端采樣電路的非線性交互而導(dǎo)致顯著不同的線性性能。相反，在圖1（b）中，去除了AAF濾波器并且CTDS的良性電阻輸入取代了前端采樣電路，濾波功能由CTDS執(zhí)行，其頻率特性在模擬中進(jìn)行了數(shù)字編程。設(shè)備的技術(shù)。因此，完全相同的CTDS可以在多個(gè)信號(hào)鏈中互換使用，并可以數(shù)字調(diào)諧到所需的頻率和帶寬，從而大大簡化和加速整個(gè)平臺(tái)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(hào)鏈具有比圖1（a）中的信號(hào)鏈更低的功耗和更小的形狀因子。

該技術(shù)的實(shí)例化ADI公司的AD6676具有如圖3所示的功能框圖。后者是一個(gè)集成的IF數(shù)字化子系統(tǒng)，嵌入了具有極高瞬時(shí)動(dòng)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，支持自動(dòng)增益控制，集成時(shí)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，其帶寬可以設(shè)置在20 MHz和160 MHz之間，帶內(nèi)噪聲頻譜密度不同。

該部分的性能，如數(shù)據(jù)表所示，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(shí)間Δ-ΣADC時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)重要的信號(hào)鏈簡化和性能優(yōu)化，以及提高系統(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)點(diǎn)之前已經(jīng)在各種低功耗和移動(dòng)應(yīng)用中普遍使用。得益于最近的IC技術(shù)突破，CTDS現(xiàn)在還能夠滿足許多通信基礎(chǔ)設(shè)施和儀器系統(tǒng)嚴(yán)格的ADC高動(dòng)態(tài)性能要求，同時(shí)在強(qiáng)帶內(nèi)和帶外干擾的情況下保持穩(wěn)定運(yùn)行。 IF子系統(tǒng)嵌入帶有可編程中心頻率（IF）和帶寬的帶通CTDS高速轉(zhuǎn)換器，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，為軟件無線電提供了非常靈活和強(qiáng)大的解決方案應(yīng)用。此外，通過進(jìn)一步允許消除主流ADC技術(shù)強(qiáng)制要求的其他信號(hào)調(diào)理模塊，它還可以降低整個(gè)系統(tǒng)級別，提高靈活性和信號(hào)鏈的性能優(yōu)化。