运用时序交织式类比数位转化器（timeinterleavedADC）在每秒高达数十亿次的同步取样类比信号是一个技能上的应战，除此之外，对於混合信号电路的规划也需求十分慎重当心。根本上，时序交织的方针是运用转化器数目与取样频率相乘而不影响解析度以及动态的效能。
本文将讨论运用时序交织式类比数位转化器时所呈现的技能应战，并对此供给有用的体系规划处理计划。本文也将阐明能够处理现在已知问题的立异元件的特征及规划技能。一起运用快速傅立叶转化（FFT）核算法算出7GSPS速率及两个转化器晶片在「交织处理计划」下的成果。最後将阐明为到达高效能所需的时脉源及驱动放大器之援助电路图运用。
需求更高的取样速度
何时以及为何添加取样的频率是具有优势的呢？有多个答案能够答复这个问题。根本上，类比数位转化器的取样速度会直接影响到瞬间频宽，由于瞬间频宽会在取样的瞬间被数位化。根据Nyquist与Shannon的取样定理表明，最大答应的取样频宽（BW）等於取样频率（FS）的一半。咱们能够用以下的方程式表明：
BW=FS/2
速率为3GSPS的类比数位转化器能在一个取样周期内取样15亿赫兹的类比信号频谱。让取样速度加倍的一起也会让Nyquist频宽加倍成为30亿赫兹。藉由时序交织使取样频宽发生添加的成果对於许多运用供给适当的助益。举例来说，运用时序交织的无线电收发机架构就能够添加资讯信号载波的数目，使得体系材料处理才干得到提高。添加取样频率一起也能够改进LiDAR丈量体系（LiDAR体系依循飞翔时刻（TOF）原理而运作）的解析度。根本上，飞翔时刻丈量的不准确度能够经由削减有用取样时脉周期的办法而下降。
数位示波器也需求较高的取样频率对输入频率（FIN）的比值，才干更精准的取得复合式类比或数位信号。取样频率有必要是FIN的最大值的数倍以上才干得到FIN的谐和成分。举例来说，假如在示波器取样频率不够高的情况下，若较高位阶的谐和频率在类比数位转化器Nyquist频宽的规模之外，那麽本来的方波将会变成正弦波的办法。
图1：在速率3GSPS及速率6GSPS时针对247.77百万赫兹信号取样的时域丈量波形图。
图1所示为示波器前端加倍取样频率所发生的优势。取样类比输入信号中速率6GSPS的取样波形将得以更精准地呈现出来。许多其他的测验仪器体系，比如像是质谱仪以及伽玛射线望远镜都是依靠较高的过度取样与输入频率的份额来到达脉冲形状的丈量。
添加取样频率还能够取得其它的长处。过度取样的信号也能对数位滤波的过程中得到增益有所助益。根本上，类比数位转化器的杂讯底部分散包括大部分的输出频宽。对一个固定的输入频宽选用两倍的取样频率进行取样，能在动态规模中取得3dB的改进。而每一次对取样频率进行加倍也都能让动态规模额定取得3dB的改进。
时序交织所面对的应战
时序交织首要面对的应战为频道间做取样时脉边际的准确相位校准，以及在积体电路之间与生俱来的制造变数补偿的问题。为了能准确的与增益匹配，各个别离类比数位转化器间的偏移量与时脉相位都将十分重要，特别是与频率有关的参数更显重要。除非这些参数能够到达准确匹配，才干使动态效能与解析度得以下降。图2所示为三个首要的过错来历。
图2：交织是类比数位转化器在增益、偏移量、时序上的过错。
一般来说，双通道交织转化器的体系需求类比数位转化器的输入端取样时脉发生1/2个时脉周期的时刻平移。但是ADC083000类比数位转化器的架构则运用晶片自身具有的交织技能，并以时脉频率适当於取样率一半的数值进行运作，也就是说运用1.5GHZ的频率来对应3GSPS的速率。因而对於选用两组ADC083000类比数位转化器的双通道体系而言，类比数位转化器输入取样时脉边际有必要是1/4个时脉周期的时刻平移或是与其他边际发生90°的视点平移。对於频率1.5GHZ时脉而言，相契合的数值为166.67ps.
时脉信号的线路长度能够经由核算办法准确地得到1/4个时脉周期的相位平移。在FR-4的印刷电路板材猜中，信号能够20cm/ns的速率来传递，即每50ps传递1公分的间隔。举例来说，假如到一组类比数位转化器的时脉途径比另一组长3公分以上，那麽将会发生150ps的相位平移。要怎么准确地到达额定16.67ps的时刻平移将会是要面对到的应战。
ADC083000类比数位转化器具有一个整合型的时脉相位校准功用，这个功用能够让运用者在输入取样时脉中参加一个推迟来平移其相位以便与别的一个类比数位转化器取样时脉树立关联性。类比数位转化器的时脉相位能够经由内建的两组暂存器透过SPI汇流排进行手动校准。其间的相位平移只可能发生在一个方向上来添加推迟现象。规划人员需求来决议这两组别离的类比数位转化器中的哪一组是「在前方的」，并校准其相位使取样边际与另一组类比数位转化器的取样边际端间发生90°的视点差。以供给Sub-picosecond等级的校准解析度。
通道对通道的增益与偏移量匹配
在一个具有双转化器的交织体系中，假定输入信号在榜首Nyquist规模内时，由于通道增益不匹配所发生的过错电压值会形成在FS/2–FIN与FS/4+/-FIN方位上的印象突波。一组8位元的转化器具有28或256个编码。倘若转化器的完好输入规模是1V的峰值对峰值，LSB的大小会等於1V/256=3.9mV的数值。而咱们也能精准的核算出对於1/2LSB所需的增益匹配值为0.2%.
ADC083000类比数位转化器的输入端完好电压值或增益能用9位元材料值来进行线性及单调的校准。700mVp-p的差异值可校准的规模为±20%，也就是说可校准的规模在560mVp-p到840mVp-p之间。
840mV–560mV=280mV
29=512steps.280mV/512=546.88uV
微调校准的视点可答应逾越上述的0.2%增益匹配规模。
在相邻通道间的偏移量不匹配会发生一个过错的电压值，这将会形成在FS/2方位上的偏移量突波。由於偏移量突波是发生位於Nyquist带的边际，因而双通道体系的规划人员一般要规画他们所需的体系频率并将更大的心力侧重於增益与相位匹配上。
但是，让咱们假定所需求的偏移量匹配也等於1/2的LSB根本规范值时，ADC083000类比数位转化器的输入端偏移量能透过线性及单调的校准，在9位元解析度中使0偏移量添加到45mV的偏移量。因而每一组编码位阶都供给了0.176mV的偏移量，一起9位元的解析度能够帮忙到达1/2LSB根本规范值的准确性。
数位输出的同步
将两组类比数位转化器的输出材料串进行同步有助於完成混合的取样速度与频宽。换句话说，假如在两个独立的转化器之间发生同步丢失的话，那麽咱们将无法取得有意义的材料。数以十亿计的取样类比数位转化器「解多工」输出材料来下降数位输出材料的速率。运用者能够根据所选用的FPGA技能对於材料处理的才干来挑选用2或4的材料速率来「解多工」。
输出撷取时脉（DCLK）也能够被切割并设定为SDR或是DDR形式。但是对於解多工的计划，由於在每一个类比数位转化器的输入取样时脉与输出撷取时脉间的联络，这使得整个体系存在一些不确定的要素，因而规划人员需求考量更多。为了处理这个问题，ADC083000类比数位转化器有才干藉由运用者供给的DCLK_RST脉冲，来准确的重置其取样时脉输入到输出撷取时脉输出之间的联系。这项才干能够让体系中多个类比数位转化器一起具有各自的输出撷取时脉（以及材料）输出转化，而且能够一起共享输入时脉以便进行取样，一起，这将使得多个类比数位转化器之间的同步能够到达。
数位交织技能
类比校对法是一种已被证明能传递高动态规模、具有整合才干的处理计划，这个处理计划具有整合性时脉相位、增益与偏移量校准的功用，且已被证明能供给高准确度。
除了类比校对技能之外，还有其他几种可行的办法，举例而言像是数位校对演算法也可用来处理交织材料。这几种处理办法都能在不需求任何类比偏移量、增益或是相位校对的前提下，能校对材料转化器中数位不匹配的问题。在抱负情况上，这些演算法都不需求对输入信号做任何校对或是先有根底的观念就能够独立运作。除此之外，在数位偏移量、增益及相位校准所需的时刻则是体系最重要的运算因子。
由SP元件公司所开展的数位後制处理引擎（这也是一套演算法）就能满意上述的这些需求。SP元件公司的主动数据交换（ADX）技能，在不需特别校对信号或後期制造收拾的条件下，会继续供给类比数位转化器在增益、偏移量与时刻偏移过错的预算。而这种演算法现已运用於批改静态与动态上不匹配过错的问题。
ADX技能能预算过错并根据一切不匹配过错来重建信号。IP中心的过错校对演算法，能在不限输入信号型式的前提下有用的履行。数位信号处理的成果为ADX中心之外的时序交织频谱在与交织失真突波相关处不会呈现显着的不匹配过错。
美国国家半导体公司在最近推出了一张装备两个ADC083000具有3GSPS的8位元类比数位转化器公板，并将SP元件公司所开发的演算法整合在公板上。其间选用ADX技能的材料转化器为交织式，并嵌入公板上FPGA中。图3所示为速率7GSPS数位卡的区块示意图。
图3：具有LMX2531与LMH6554的ADQ108体系的区块示意图。
图4：具有ADX的混合式类比数位转化器频谱。
图4所示为SP元件公司ADQ108材料搜集卡的输出频谱效能图。咱们需求特别留心其间的峰值突波是来自於谐和失真所形成的，且交织突波也现已显着的被削减掉。
超高速类比数位转化器之援助电路体系
藉由运用如ADC083000的材料转化器能使体系到达高阶的效能，但也有必要先承认援助的电路体系也具有满足的效能。援助电路体系的重要关键元素如下：
1）高效能与低颤动时脉源
2）运用高线性化、低杂讯的放大器或运用平衡与非平衡转化器来驱动类比数位转化器输入
LMX2531或LMX2541之时脉组成器都由于能发生低颤动现象类比数位转化器的时脉信号而被引荐运用，而LMH6554则能用来驱动类比数位转化器的类比输入信号。
LMX2531整合了PLL与VCO两个元件，使能让杂讯底部优於-160dBc/Hz.其晶片具有多种不同的版别能够契合从553百万赫兹到2790MHZ的频带规模各种不同频率的需求。
为了能到达更高输入频率的信号杂讯比效能，因而LMX2541由於具有较低相位杂讯而成为适宜的时脉源。LMX2541在频率21亿赫兹的情况下会发生小於2微弧度（mrad）的均方根杂讯;以及在频率35亿赫兹的情况下会发生3.5微弧度的均方根杂讯。LMX2541的PLL会发生-225dBc/Hz的规范化杂讯底部，且能在整数与分数形式中以高达104MHZ的相位侦测率来运作。
LMH6554为业界最高效能的差动放大器。其低阻抗的差动输出特性可用来驱动类比数位转化器的输入信号并在任何中心滤波过程中运用。这个具有宽频的全功用差动放大器能够驱动8到16位元的高速类比数位转化器且在频率800MHZ的情况下得到0.1dB的增益值，在频率250MHZ的情况下得到72dBc的SFDR，以及具有0.9nV/sqrtHz的低输入电压杂讯效能。
当LMH6554将峰值对峰值2V的电压驱动进入低到200欧姆的负载时，便能以频率75MHZ来线性传递16位元的信号。经由外部增益电阻器以及整合共模回馈，LMH6554也能够运用於差动与差动信号间或是单端与差动信号间。而放大器会供给高达18GHZ的大信号频宽、8dB的杂讯指数以及6，200V/us的摇摆速率。
图5所示为一组运用上述所说到的援助元件的区块示意图。
图5：典型的体系区块示意图。
定论
本文阐明关於设计时序交织式高速类比数位转化器时所面对到的应战与几种处理计划。现在由於交织方*的不断演进及低颤动时脉源与高效能放大器的呈现，让逾越6GSPS速率时依然保持绝佳的动态效能得以完成。
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