基于连续时间、∆-Σ高速ADC的宽带模拟前端技术分析

连续时间∆-Σ （CTDS） 模数转换器 （ADC） 是音频系统、电话听筒和移动电子产品的首选架构。这种ADC架构可实现高效集成、减少信号链和低功耗等优势。当高动态范围和功率效率是主要要求时，CTDS ADC的性能优于其他类别的ADC，但其他类型的ADC（如流水线ADC）由于其转换宽带模拟输入信号的能力，一直是蜂窝通信基础设施系统的主流选择。

ADI公司最近推出的技术突破现在允许CTDS ADC以非常高的频率对宽带信号进行数字化处理。这克服了以前的限制，还使CTDS ADC引入的宽带系统具有显著的系统级优势，使其在低频应用中普遍存在。

本文介绍了此类最新创新的实现。特别是讨论了模拟前端，包括其核心的宽带CTDS带通ADC，用于通信和仪器仪表系统中高频信号的数字化和下变频。嵌入式带通ADC不需要外部抗混叠滤波器和驱动放大器/缓冲器，从而大大减少了信号链的元件数量和功耗，并放宽了其整体规格。此外，还集成了片上可编程数字滤波和下变频，为设计人员提供了完整且易于使用的解决方案。

连续时间∆-Σ （CTDS） 模数转换器1多年来，模数级架构一直是从高性能音频到蜂窝手机RF前端等广泛应用的首选，因为与其他类型的ADC相比具有许多优势。好处包括更高的集成便利性和低功耗，而且可能更重要的是，因为使用CTDS可以解决许多重要的系统级问题。由于许多技术缺陷，CTDS的使用以前仅限于相对较低的频率/带宽和较低的动态范围。因此，高性能奈奎斯特速率转换器，如流水线和逐次逼近型ADC，一直是高性能/高频数字化应用的主流解决方案。

然而，ADI公司推出的技术突破克服了许多先前的限制。因此，使基于CTDS的高速ADC能够实现更高的性能规格、强干扰源下的稳定性、可编程的频率响应，进而能够解决蜂窝基础设施系统和选定的高性能仪器应用中的许多重要信号处理问题。

为了更好地理解这一点，让我们考虑一个用于通信系统的经典外差接收信号链。采用主流开关电容奈奎斯特速率、高速ADC的传统方案如图1（a）所示。在这里，混频器产生的中频（IF）信号需要缓冲，并可能使用驱动放大器进行放大。奈奎斯特ADC还需要抗混叠滤波器（AAF），有时由表面声波（SAW）滤波器或多极分立SMD滤波器实现。最后，所需的IF无线电信号到达ADC。其输出以高采样速率fs（fs/2远大于中心/IF频率）计时，通过通信数字ASIC进一步处理（滤波并下变频为基带）。

图1.通信系统的经典外差接收信号链，使用（a）具有奈奎斯特速率开关电容ADC的传统方案和（b）使用连续时间∆-Σ ADC。

使用CTDS时，相同的处理链大大简化，如图1（b）所示。由于CTDS具有阻性输入，因此可以直接由混频器驱动，不需要驱动放大器。此外，CTDS的内核包括一个CT模拟滤波器，该滤波器隐式执行AAF功能，因此可以取消2使用输入 SAW/SMD 分立滤波器。此外，CTDS还可以具有带通滤波器频率特性（实际测量示例见图2），可调谐到以所需的IF输入频率为中心，并具有显著的带外衰减。这种通带经过过采样、数字化，然后被数字抽取并下变频为基带，并以比图1（a）低得多的数据速率（和更低的功耗）提供给数字ASIC。

图2.来自带通CTDS的实验数字化输出（蓝色实线），输入单音为1 GHz，带宽设置为75 MHz，中心频率为1 GHz，噪声带宽为366.2 kHz。∆-Σ频率将转换量化噪声塑造为目标通带内的低电平（较高的动态范围），而带外功率较高。带通频率特性的陷波在上图中清晰可见（以1 GHz和75 MHz宽为中心）。叠加的红色虚线表示相应的信号传输特性，在所需的输入频带上具有明显的平坦度。下图显示了75 MHz宽带内放大的细节。后者随后以非常高的选择性进行数字滤波（完全抑制带外内容，包括较高的本底噪声、任何带外失真以及75 MHz宽带左右两侧的带外阻塞信号），并在CTDS输出端返回之前下变频为基带。

上述系统级简化是CTDS与其他高速ADC架构之间基本架构差异的直接结果。

这种简化的额外好处是巨大的。在图1（a）中，驱动放大器的功耗可能与ADC本身相当，同时影响链路的整体噪声系数。图 1（a） 中的 AAF 不容易集成。此外，需要为每种IF（和频率规划）选择和特定信号链实现选择合适的新滤波器。经验丰富的系统设计人员知道，滤波器的实现通常非常耗时，因为由于与奈奎斯特ADC前端采样电路的非线性相互作用，具有相同滤波器功能的不同元件选择会导致线性度性能大不相同。相反，在图1（b）中，去掉了AAF滤波器，前端采样电路被CTDS的良性电阻输入取代，滤波功能由CTDS执行，其频率特性在ADI公司的技术中实现了数字编程。因此，相同的CTDS可以在多个信号链中互换使用，并以数字方式调谐到所需的频率和带宽，从而大大简化和加速整个平台开发过程。毋庸置疑，对于相同的功能和性能，图1（b）中的信号链具有比图1（a）中更低的功耗和更小的外形尺寸。

ADI公司的AD6676提供了该技术的实例，其功能框图如图3所示。后者是一个集成的IF数字化子系统，嵌入了一个具有非常高瞬时动态范围的可调谐带通CTDS，以及数字滤波和下变频功能、自动增益控制支持、集成时钟合成器和JESD204B串行输出接口。通带的中心频率（IF）可以在70 MHz和450 MHz之间进行数字调谐，其带宽可以编程为20 MHz和160 MHz之间，并具有不同的带内噪声频谱密度。

图3.ADI公司AD6676的功能框图。

该器件的性能如其数据手册所示，适用于各种宽带蜂窝基础设施设备和中继器、点对点微波设备、频谱分析仪、通信仪器和许多其他功能。

结论

当使用连续时间∆-Σ ADC时，可以实现重要的信号链简化和性能优化，以及更高的系统设计灵活性和减少开发工作量。这些架构的一些优势以前使它们在各种低功耗和移动应用中很常见。得益于最近多项IC技术的突破，CTDS现在还能够满足许多通信基础设施和仪器仪表系统严格的ADC高动态性能要求，同时在存在强带内和带外干扰源的情况下保持稳定运行。嵌入带通CTDS高速转换器的IF子系统具有可编程中心频率（IF）和带宽，结合数字下变频和滤波后处理后端级以及其他集成功能，为软件无线电应用提供了非常灵活和强大的解决方案。此外，它还进一步消除了主流ADC技术规定的许多额外的信号调理模块，从而降低了整体系统电平，提高了灵活性，并优化了信号链的性能。

审核编辑：郭婷