[论文解读] The SST Multi-G-Sample/s Switched Capacitor Array Waveform Recorder with Flexible Trigger and Picosecond-Level Timing Accuracy

Stuart Kleinfelder, Edwin Chiem+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2015

Analog and Mixed-Signal Circuit Design参考文献 20被引用 6

一句话总结

本论文提出了一款在0.25 µm CMOS工艺下实现的4通道、2 G-samples/s开关电容阵列波形记录器SST，实现了皮秒级时间精度和灵活触发。其采用LVDS振荡器进行同步时钟驱动，支持6个数量级的采样率范围，具备12位分辨率、1.9V输入范围，且在校准后各通道间时间抖动低于2.5 ps。

ABSTRACT

The design and performance of a multi-G-sample/s fully-synchronous analog transient waveform recorder I.C. ("SST") with fast and flexible trigger capabilities is presented. Containing 4 channels of 256 samples per channel and fabricated in a 0.25 μm CMOS process, it has a 1.9V input range on a 2.5V supply, achieves 12 bits of dynamic range, and uses ~160 mW while operating at 2 G-samples/s and full trigger speeds. With a standard 50 Ohm input source, the SST's analog input bandwidth is ~1.3 GHz within about +/-0.5 dB and reaches a -3 dB bandwidth of 1.5 GHz. The SST's internal sample clocks are generated synchronously via a shift register driven by an external LVDS oscillator, interleaved to double its speed (e.g., a 1 GHz clock yields 2 G-samples/s). It can operate over 6 orders of magnitude in sample rates (2 kHz to 2 GHz). Only three active control lines are necessary for operation: Reset, Start/Stop and Read-Clock. Each of the four channels integrates dual-threshold discrimination of signals with ~1 mV RMS resolution at >600 MHz bandwidth. Comparator results are directly available for simple threshold monitoring and rate control. The High and Low discrimination can also be AND'd over an adjustable window of time in order to exclusively trigger on bipolar impulsive signals. Trigger outputs can be CMOS or low-voltage differential signals, e.g. 1.2V CMOS or positive-ECL (0-0.8V) for low noise. After calibration, the imprecision of timing differences between channels falls in a range of 1.12-2.37 ps sigma at 2 G-samples/s.

研究动机与目标

• 开发一种高速、全同步的模拟瞬态波形记录器，适用于对精确时间同步和高动态范围有要求的应用。
• 在多通道上实现具有双阈值判别和双极脉冲检测能力的灵活触发。
• 在2 G-samples/s下实现通道间小于2.5 ps的时间精度，以实现超精确波形采样。
• 在宽动态范围的采样率（2 kHz至2 GHz）下运行，同时保持极低的控制复杂度。
• 集成低功耗、高带宽信号采集与片上比较器逻辑，实现实时触发决策。

提出的方法

• SST采用开关电容阵列架构，包含四个独立通道，每个通道可存储256个样本。
• 内部采样时钟通过由外部LVDS振荡器驱动的移位寄存器生成，并通过交错技术，利用1 GHz时钟实现2 G-samples/s的采样率。
• 采用3线控制接口（复位、开始/停止、读时钟）实现完整操作，仅需极少的外部逻辑。
• 每个通道均配备双阈值比较器，具备约1 mV RMS分辨率，用于信号判别与触发生成。
• 通过在可调时间窗口内对高、低阈值结果进行与运算，实现双极脉冲触发。
• 通过校准提升时间精度，使2 G-samples/s下的通道间时间抖动降低至1.12–2.37 ps σ。

实验结果

研究问题

• RQ1 开关电容阵列是否能在2 G-samples/s下实现小于2.5 ps的通道间时间精度？
• RQ2 能否通过片上双阈值比较器有效实现灵活触发？
• RQ3 在0.25 µm CMOS工艺下，全同步多通道波形记录器的可实现带宽和动态范围是多少？
• RQ4 在六数量级范围内（2 kHz至2 GHz）动态调整采样率时，信号完整性能保持到何种程度？
• RQ5 片上比较器逻辑的集成对实时触发性能和功耗效率有何影响？

主要发现

• 在50 Ω源阻抗下，SST的-3 dB模拟输入带宽为1.5 GHz，±0.5 dB内带宽达1.3 GHz。
• 该器件在2.5 V电源下以2 G-samples/s运行，具备12位动态范围和1.9 V输入范围，功耗约为160 mW。
• 在2 G-samples/s下，经校准后通道间时间抖动降低至1.12–2.37 ps σ。
• 系统仅使用一个外部LVDS振荡器，即可支持从2 kHz到2 GHz的六十年代采样率范围。
• 双阈值判别使600 MHz以上带宽下的信号检测分辨率可达1 mV RMS。
• 触发输出可配置为CMOS或低电压差分信号（如1.2 V CMOS或0–0.8 V ECL），以实现低噪声运行。