高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤碼率解密

　　就像很多其他半導(dǎo)體器件一樣，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）并不能始終像我們期望那樣完美運(yùn)行。它們存在一些固有限制，使其偶爾會(huì)產(chǎn)生超出正常功能的罕見轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。然而，像測試和測量設(shè)備等很多實(shí)際采樣系統(tǒng)不容許存在高ADC轉(zhuǎn)換誤碼率。因此，量化高速模數(shù)轉(zhuǎn)換誤碼率（CER）的頻率和幅度非常重要，這樣工程師才能設(shè)計(jì)出具有合適預(yù)期性能的系統(tǒng)。

　　高速或GSPS ADC（每秒千兆采樣ADC）相對(duì)稀疏出現(xiàn)的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤不僅造成其難以檢測，而且還使測量過程非常耗時(shí)。該持續(xù)時(shí)間通常超出毫秒范圍，達(dá)到幾小時(shí)、幾天、幾周甚至是幾個(gè)月。為了幫助消減這一耗時(shí)測試負(fù)擔(dān)，我們可以在一定“置信度”的確定性情況下估算誤碼率，而仍然保持結(jié)果的質(zhì)量。

　　比特誤碼率（BER）與轉(zhuǎn)換誤碼率（CER）

　　與串行或并行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸中比特誤碼率的數(shù)字等效值類似，轉(zhuǎn)換誤碼率是轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤數(shù)與樣本總數(shù)之比。但是，BER和CER之間有一些截然不同之處。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中的BER測試采用長偽隨機(jī)序列，該序列可于發(fā)送器中在傳輸兩端使用常用種子值來啟動(dòng)。接收器預(yù)期將收到理想的傳輸。通過觀察接收數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)的差異，便可精確計(jì)算出BER。兩端之間偽隨機(jī)序列數(shù)據(jù)中的失配（基于種子值）即視為比特錯(cuò)誤。

　　與CER不同，誤差測定不像純數(shù)字比較那么簡單。由于ADC轉(zhuǎn)換過程中始終具有小的非線性，另外還存在系統(tǒng)噪聲和抖動(dòng)，因此并非總是能確定預(yù)期數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)之間的確切差異。相反，需要建立誤差閾值，用于確定轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤和具有容許預(yù)期噪聲的樣本之間的界限。這與數(shù)字BER不同，并不會(huì)對(duì)發(fā)送和接收的預(yù)期數(shù)據(jù)進(jìn)行確切比較。相反，首先必須量化樣本的誤差幅度，然后再確定是轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，還是在轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)的預(yù)期非線性范圍內(nèi)。

　　ADC后端數(shù)字接口的誤碼率必須低于轉(zhuǎn)換器的內(nèi)核CER，因此無法忽視。如果并非如此，那么數(shù)據(jù)輸出傳輸誤差將覆蓋CER并成為主要誤差來源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)際并不關(guān)心誤差來自ADC的哪一部分，但是，出于討論目的，我們將僅關(guān)注ADC轉(zhuǎn)換誤碼率。

　　亞穩(wěn)態(tài)

　　高速ADC中造成轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的一個(gè)常見原因是一種稱為亞穩(wěn)態(tài)的現(xiàn)象。高速ADC在將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的不同轉(zhuǎn)換級(jí)中往往會(huì)使用很多梯形比較器。如果比較器無法確定模擬輸入是高于還是低于其參考點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生可能導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤代碼的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)果。當(dāng)兩個(gè)比較器的輸入之差幅度非常小或?yàn)榱銜r(shí)，就可能發(fā)生這種情況，此時(shí)無法進(jìn)行正確比較。由于此錯(cuò)誤值會(huì)沿著流水線傳播，因此ADC可能產(chǎn)生重大的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。

　　當(dāng)差分模擬輸入為相對(duì)較大的正值或負(fù)值時(shí)，比較器可以快速計(jì)算出差值并給出明確決定。當(dāng)差分值很小或?yàn)榱銜r(shí)，比較器做出決定所需的持續(xù)時(shí)間會(huì)長很多。如果在此決定點(diǎn)之前比較器輸出鎖存，則將產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)結(jié)果。

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　　圖1. 此基本梯形比較器設(shè)計(jì)給出了比較器決定點(diǎn)的轉(zhuǎn)換故障概率性點(diǎn)（亞穩(wěn)態(tài)）。假設(shè)AIN = VA，中間的比較器可能無法在有限轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)分辨穩(wěn)定的輸出，導(dǎo)致位［1］和位［0］具有多個(gè)可能的錯(cuò)誤組合。

　　幸運(yùn)的是，有些設(shè)計(jì)方案可以減輕這個(gè)問題。首先，最顯而易見的方法是將比較器的不確定范圍設(shè)計(jì)地非常小，迫使比較器在可能的最大模擬輸入條件范圍內(nèi)做出準(zhǔn)確決定。不過，這可能造成電路功率和設(shè)計(jì)尺寸增加。

　　第二種方法是盡量延遲比較器采樣時(shí)間，給模擬輸入最長的時(shí)間建立至已知的比較器輸出值。不過，這種方法存在多個(gè)限制，因?yàn)檠舆t最長也只能持續(xù)到當(dāng)前采樣時(shí)間結(jié)束，而后比較器必須繼續(xù)處理下一次采樣。

　　第三種方法是采用智能錯(cuò)誤檢測和校正算法，該算法會(huì)對(duì)比較器在高速ADC轉(zhuǎn)換過程后續(xù)階段中引入的不確定性進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償。當(dāng)比較器未能在最大允許時(shí)間內(nèi)做出決定時(shí)，邏輯可檢測到該缺失。然后，此信息可被附加到相關(guān)樣本上，以便未來進(jìn)行內(nèi)部調(diào)整。識(shí)別出此警報(bào)時(shí)，可使用后處理步驟在樣本從轉(zhuǎn)換器輸出前糾正該錯(cuò)誤。這可以從圖2中的AD9625看出，它是ADI公司的一款12位、2.5 GSPS ADC。

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