应用笔记 642

以1Gsps高速捕捉信号的ADC


摘要 : MAX104/MAX106/MAX108是业内最早的超高速8位数据转换器之一,具有极佳的交流性能和GHz输入带宽,该系列器件适用于对采样速率和信号带宽都有较高要求的应用。自1999年推出以来,该系列高速模数转换器(ADC)为高频、宽带应用建立了新的动态性能标准。本文概述了该系列ADC的优势,阐述了其对数字通信、DSO和快速数据采集系统的影响和重要性。

MAX104能够以8位分辨率处理2.2GHz以上带宽的模拟输入。它为高频、宽带数字通信接收机、数字示波器以及高速数据采集系统等应用树立了新的性能标准。

MAX104是一种硅单片高速模数转换器(ADC),内部集成了宽带跟踪/保持(T/H)放大器(图1)和高速量化电路,支持从直流到2.2GHz的宽带模拟输入信号的量化。该产品基于Maxim的GST-2千兆级高速硅双极工艺技术。这种高速、自校准双多晶硅工艺是为高密度、高性能电路开发的。它继承了Maxim较低性能的GST-1工艺的许多特性,例如沟道隔离。

图1. 该简化框图说明了MAX104如何集成高带宽T/H放大器和高速量化器
图1. 该简化框图说明了MAX104如何集成高带宽T/H放大器和高速量化器

尽管先进的集成电路工艺(如特征频率达27GHz的NPN晶体管、三金属互连系统、小尺寸和激光微调镍铬(NiCr)薄膜电阻)为MAX104的优异特性提供了可能,研制小组为MAX104所开发的高效、实用的ADC架构也是功不可没。

多数采样率在数百MHz以上的高速ADC的输入带宽被限制在不超过其最大采样频率的范围内,以便于获得较好的噪声特性。一个例子便是信号噪声比(SNR)。这种有限的输入带宽使其无法用在频带位于输入频谱中较高位置,或需要欠采样的应用当中。而且,如果输入信号在转换期间发生迅速改变,其等效位数(ENOB)和SNR将会降低。MAX104内部2.2GHz全功率带宽的T/H放大器(图2)显著提高了动态性能,能够以极高的转换速率精确捕获高频模拟信号。

图2. MAX104的全功率带宽随输入幅度的变化
图2. MAX104的全功率带宽随输入幅度的变化

带隙基准

MAX104具有内置的+2.5V精密带隙基准,将其输出(REFOUT)连接到内部基准放大器的同相输入(REFIN)就可激活这部分电路。该放大器的反相输入被内部连接到参考地(GNDR)。

REFOUT端口能够为外部器件提供高达2.5mA输出,这足以驱动两个配置为交替工作方式的MAX104 (以获得每秒2千兆或2Gsps的采样率)。带隙基准已在内部补偿,所以不再需要外部旁路元件连接在REFOUT上。

如果不用内部基准,可将外部精密基准连接到REFIN引脚,并使REFOUT脚悬浮。这样,通过外部基准可以调整MAX104的满量程范围。

MAX104的T/H放大器输入电路的设计降低了对输入信号的要求,并支持500mV峰峰值的满量程信号输入。当在正输入端(VIN+)和负输入端(VIN-)之间接入250mV差分信号时得到满度数字输出。中值数字输出出现在输入为0V的情况。

零数字输出码出现在负输入端(VIN-)电压高出正输入端(VIN+) 250mV的状态。高性能差分T/H放大器使MAX104能够采用单端输入方式,并且不降低动态性能。典型单端配置中,模拟输入信号通过同相输入引脚(VIN+)耦合至T/H放大器,反相输入(VIN-)则以地为参考。单端工作时可接受500mV峰峰值的输入幅度,中点接近于0V。为降低反射和改善性能,MAX104的输入端内部集成了用于阻抗匹配的激光微调50Ω NiCr端接电阻。

当以1Gsps的速率对频率分别为125MHz (图3)、250MHz、500MHz (图4)和1GHz (图5)的差分和单端模拟输入采样时,MAX104展现出几乎相同的动态特性,它解决了高速ADC应用中一个非常棘手的问题—不再需要价格昂贵、消耗空间的单端-差分信号转换电路。现在,具有单端信号源的系统只需将信号馈入VIN+引脚并将VIN-引脚通过一个50Ω电阻连接到地即可。

图3. 这个快速傅立叶转换(FFT)表明MAX104在以1Gsps采样率处理125MHz模拟输入信号时的过采样特性
图3. 这个快速傅立叶转换(FFT)表明MAX104在以1Gsps采样率处理125MHz模拟输入信号时的过采样特性

图4. 该FFT取自500MHz奈奎斯特频率和1Gsps的采样速率
图4. 该FFT取自500MHz奈奎斯特频率和1Gsps的采样速率

图5. 该FFT来自于MAX104以1Gsps采样速率对一个1GHz频率的模拟输入信号的欠采样结果
图5. 该FFT来自于MAX104以1Gsps采样速率对一个1GHz频率的模拟输入信号的欠采样结果

类似于模拟输入结构,MAX104的时钟输入也被设计为可同时适应单端或差分工作方式,输入驱动非常灵活。每个时钟输入被一个内置的激光微调50Ω精密NiCr电阻端接至时钟端接回路。这个端接点可以连接到地和-2V之间的任何电位,以保证兼容于标准射极耦合逻辑(ECL)的驱动电平。

时钟输入在内部由一个放大器加以缓冲,以保证ADC能够正常工作于小幅度正弦波信号源。MAX104设计为单端工作,当采用低相位噪声、幅度低至100mV的正弦波时钟时仍保证优异的动态特性。

为得到最低抖动的时钟驱动,可将一个低相位噪声的正弦波信号交流或直流耦合到单端时钟输入。时钟端接回路连接至地时,MAX104能够适应幅度最高至1V的时钟输入(2V峰峰值)。ADC的动态特性基本上不受100mV至1V的时钟信号幅度的影响。

ADC也可以由一个标准差分ECL时钟源来驱动,只需简单地将时钟端接电压设定在-2V。为保持最佳性能,应采用一个非常高速的差分ECL驱动器。

如果采用交流耦合,时钟输入CLK+和CLK-也可以由相对于正端的ECL (PECL)逻辑电平驱动。另外还可以采用单端ECL驱动,只需将未用的时钟输入端连接至ECL VTT电压(通常为-1.3V)。

MAX104另外一个很有用的特性就是其内置的解复用(demux)电路。该电路提供三种不同的工作模式。解复用器的工作受控于两个晶体管-晶体管逻辑(TTL)/互补型金属氧化物半导体(CMOS)兼容的数字输入:DEMUXEN用于使能或禁止内部解复用器,DIVSELECT用于选择三种解复用模式之一(DIV1、DIV2、DIV4)。

DIV2 (解复用)模式将输出数据速率降低到采样时钟速率的一半。解复用电路将两次连续的采样以双8位的格式通过主、辅输出端口在数据就绪时钟的上升沿送出。DIV1非解复用(nondemux)模式下MAX104工作在最高500兆采样每秒(Msps)的采样速率。该模式下,内部解复用器被禁止,采样数据仅通过主输出端口送出。为降低功耗,辅助端口可通过两个独立的输入(AUXEN1和AUXEN2)关断。为进一步节省功耗,可以拿掉所有辅助输出端口上连接至逻辑PECL电源(VCCO - 2V)的50Ω端接电阻。

在另外一种特殊的数据抽取、解复用模式下(DIV4),MAX104间隔地丢弃掉输入采样,以采样速率四分之一的速度输出数据。这种模式对于采用较慢的数据输出速率进行系统调试尤其有用。对于1GHz的输入时钟,等效输出数据速率将被降低到250MHz。

除了片内解复用器,MAX104还提供内部解复用复位电路,可以将多个ADC同步,使它们协调地交替工作。此外,复位输出信号可用来同步外部解复用器。

还有,MAX104还提供锁定的差分PECL输出,这使ADC理想用于驱动受控的低阻线。PECL输出可以由+3V至+5.25V的直流电源驱动。MAX104的PECL输出一般采用50Ω电阻排端接至VTT = VCCO - 2V (PECL端接电压)。

主输出端口表示为P0至P7 (LSB至MSB),辅助端口表示为A0至A7。互补输出DREADY+和DREADY-为真时表示数据就绪,可用作数据时钟。

上述信号用于锁存由主、辅输出端口送出的数据,同时也为下游数字电路提供一个同步时钟,诸如解复用器或高速存储器件等。DREADY时钟的上升沿触发数据更新。

超量程时互补输出OR+和OR-为真。RSTOUT+和RSTOUT-为互补复位输出,用来复位下游电路。

MAX104采用Amkor/Anam (Chandler,AZ)的192触点增强型超级球栅阵列(ESBGA)封装,尺寸为25mm x 25mm。MAX104提供内置的1:2解复用功能,可将数据速率减慢到500Mbps,由两个端口送出。封装内部从焊球至绑定线之间采用50Ω微带线互连,支持很高的输入/输出(I/O)频率。此外,封装还提供大量的焊球专用于电源和接地。这种1.27mm间距的ESBGA封装厚度仅1.4mm,极为节省电路板空间,同时还可提供优异的热性能。多数应用中,MAX104不必使用散热器。

对于许多要求高采样速率的应用,无论是捕捉一个快速变化信号的瞬时值,如高速数据采集(DAQ),或者是量化一个复合高频、宽带信号,MAX104都很理想。一个范例就是用于数字基站的宽带数字接收机。在这个实例中,会有超过300MHz带宽的信号穿过接收机的中频级电路(IF)到达解调器。在此,信号在送往ADC前端之前可能经过了信道滤波和放大。这种方式,也就是所谓的直接下变频,要求ADC的输入带宽具有足够的平坦度,以便降低量化结果的失真和非线性。产生的高速数据流接着被送往数字解调器,分离出所需信道并解读出调制信息。

ADC的应用

MAX104无论在输入频率低于(例如在125MHz和250MHz)或者远高于(例如工作在1GHz)奈奎斯特频率时都可提供优异的SNR和无杂散动态范围(SFDR),这使得MAX104成为数字通信应用中8位过采样及欠采样转换器的理想选择。举例来讲,MAX104能够在125MHz的模拟输入频率下提供47.4dB的SNR和68.9dB的SFDR。同样频率下的双音特性也很理想,达-57.7dB。

另一个理想的应用是DAQ仪表和系统。这些系统需要对待分析电路中不同节点的波形进行采集、分析并显示出来(例如高速、多通道数字存储示波器)。ADC被用在数字采样示波器(DSO)的前端电路。有时需要多个转换器并行工作,以便增加等效采样频率。Maxim的新型600Msps/1.5Gsps转换器,MAX106和MAX108,可以为设计者提供较低、以及更高采样速率的选择。

DAQ应用最为关注的数据转换器特性包括模拟输入带宽、增益平坦度、ENOB特性和低出现率的亚稳态。通过差分比较器及其编码电路的设计,降低了失序码误差,例如温度计气泡码或火花码,并提供优异的亚稳态特性,达到每1016个时钟周期出现不到一次的误差。其它ADC常常会产生造成满偏或零偏输出的错误,与此不同,MAX104能够将其误差幅度保持在不超过1 LSB。

还有,这种高速ADC还具有出色的积分非线性(INL)和微分非线性(DNL),确保单调工作。经过微调后,MAX104的这两种参数低至±0.25 LSB (图6图7)。

图6. MAX104的典型积分非线性
图6. MAX104的典型积分非线性

图7. MAX104的典型微分非线性
图7. MAX104的典型微分非线性

类似文章发表于1999年3月的Microwaves and RF