深入分析“时间交错技术”

  时间交错技术可使用多个相同的 ADC（文中虽然仅讨论了 ADC，但所有原理同样适用于 DAC 的时间交错特性），并以比每一个单独数据转换器工作采样速率更高的速率来处理常规采样数据序列。简单说来，时间交错（IL）由时间多路复用 M 个相同的 ADC 并联阵列组成。

        如图 1 所示。这样可以得到更高的净采样速率 fs（采样周期 Ts = 1/fs），哪怕阵列中的每一个 ADC 实际上以较低的速率进行采样（和转换），即 fs/M。因此，举例而言，通过交错四个 10 位/100 MSPS ADC，理论上可以实现 10 位/400 MSPS ADC。

        图1. M次交错的n位ADC阵列每一个ADC的采样速率为fs/M，得到的时间交错ADC采样速率为fs。M = 4的时钟方案示例在该图下半部分显示。
        为了更好地理解 IL 原理，图 1 中一个模拟输入 VIN (t) 以 M 个 ADC 进行采样，其结果为组合数字输出数据序列 DOUT。ADC1 最先采样 VIN (t0) 并开始将其转换为n位数字信号。Ts 秒后，ADC2 将采样 VIN (t0+Ts) 并开始将其转换为n位数字信号。接着，Ts 秒后，ADC3 将采样 VIN (t0 +2Ts)，以此类推。ADCM 完成 VIN (t0 +(M-1)×Ts) 采样后，开始下一个采样周期，并从 ADC1 采样 VIN (t0 +M×Ts) 开始，依次进行下去。
        由于ADC顺序输出n位数据且输出顺序与刚才描述的采样操作顺序一致，这些数字n位字由同一张图右侧的解复用器所采集。这里获取的是重新组合的数据输出序列 DOUT (t0 + L)，DOUT (t0 +L + Ts)，DOUT (t0 + L + 2Ts)，... 。L 表示每一个单独ADC的固定转换时间，而该重新组合的数据序列是一个 n 位数据序列，采样速率为 fs。因此，虽然各个ADC（通常称为“通道”）为 n 位 ADC 且采样速率为 fs/M，但整体等于采样速率为 fs的单个 n 位 ADC，而我们将其称为时间交错 ADC（与通道相区别）。输入本质上是分隔开的，并由阵列中的 ADC 单独处理，然后在输出端连续重组，以便构成输入 VIN 的高数据速率表示 DOUT。
        这种强大的技术在实际使用时存在一些难题。一个重要的问题是来自通道的M数据流经过数字组装后重构原始输入信号 VIN。如果我们看一下频谱 DOUT；除了看到 VIN 的数字信号以及模数转换引入的失真，我们还将看到额外的和大量的杂散成分，称为“交错杂散”（或简称为 IL 杂散）；IL 杂散既没有多项式类型失真的签名——比如较高次信号谐波（2次，3次，等等）——也没有量化或 DNL 误差签名。IL 伪像可视为时域固定码噪声的一种形式，由通道中的模拟损害引起，因为在交错过程中采用分隔转换信号进行调制并出现在最终的数字化输出 DOUT。
        让我们分析一个简单的示例，了解可能会发生什么情况。考虑频率 fIN 下正弦输入 VIN 的双路交错 ADC 情况。假定 ADC1 具有增益 G1，ADC2 具有差分增益 G2。在这种双路 IL ADC中，ADC1 和 ADC2 将交替采样 VIN。因此，如果 ADC1 转换偶数样本，而 ADC2 转换奇数样本，则所有 DOUT 偶数数据的幅度都将由 G1设置，而所有 DOUT 奇数数据的幅度都将由G2设置。然后，DOUT 不仅包含 VIN，还包括一些多项式失真，但它受到 G1 和G2 的交替放大，就好像我们采用频率为 fs/2 的方波对 VIN 进行幅度调制。这样做会引入更多杂散成分。特别地，DOUT 在 fs/2 – fIN 频率处会包含“增益杂散”；并且不幸的是，该杂散的频率会跟踪输入fIN，且位于交错 ADC 的第一奈奎斯特频段内（即在 fs/2 内），而在所有其它奈奎斯特频段内也会存在混叠。该交错杂散的功率/幅度取决于两个增益 G1和G2 之间的净差。换言之，它取决于增益误差失配。而最终，它取决于输入 VIN 自身的幅度。
        如果输入并非简单正弦波，而是真实应用中的全频带限幅信号，那么“增益杂散”就不只是干扰音了，而是频带限幅输入信号自身的完整调节镜像，出现在奈奎斯特频段内。这在一定程度上抵消了交错带来的带宽增加的优势。
        虽然上例中我们仅考虑了通道间的增益误差失配，其它损害也会引起交错杂散。失调失配（通道失调之间的差）引起固定频率的信号音（“失调杂散”），功率与失调失配成正比。当某些通道比预定顺序更早或更晚采样某位时，便发生采样时间偏斜。它会引入“时间杂散”，其频率与增益杂散全一致（并叠加同样的幅度），但功率会随着 fIN 的增加以及输入幅度的增加而不断加强。各通道之间的带宽失配会引入更多的杂散成分，频率取决于 fIN，并且正如时间杂散，杂散功率不仅随着输入幅度，而且还会随着fIN自身而逐步增加。再次强调，无论何种情况，输出频谱下降的程度并不取决于通道损害的绝对值（失调、增益、时序、频段），而是取决于通道之间的相对失配或通道之差。
        虽然时间交错的基本技术存在已有几十年，但IL可在何种程度上保持最小化则将其过去的适用性限制于低分辨率转换器。然而，最近在通道失配校准方面以及抑制残留IL杂散成分方面的进步已经可以实现全集成、极高速、12/14/16 位 IL ADC。
        这种情况下，我们需要对交错进行分类。我们一般将两个交错通道称为“乒乓”工作。然后，当我们描述较少通道数的情况（比如 3 通道至4通道），以及大量通道的情况时（比如超过 4 个通道，通常达到 8 个或更多），我们还区分了“轻度交错”和“重度交错”。