【導讀】在消費、醫療、汽車(chē)乃至工業(yè)領(lǐng)域，越來(lái)越多的電子產(chǎn)品利用高速信號技術(shù)來(lái)進(jìn)行數據和語(yǔ)音通信、音頻和成像應用。盡管這些應用類(lèi)別處理的信號具有不同帶寬，且相應使用不同的轉換器架構，但比較候選ADC(模數轉換器)及評估具體實(shí)施性能時(shí)，這些應用具有某些共同特性。具體而言，從事這些不同應用類(lèi)別的設計師需要考慮許多常見(jiàn)的轉換器交流性能特性，這些特性可能決定系統性能限制。
量化
所有ADC接收在時(shí)間和幅度上連續的輸入信號，并輸出量化的離散時(shí)間樣本。ADC的雙重功能(量化和采樣)提供從模擬到數字信號域的有效轉換，但每種功能對轉換器交流性能均有影響。
由于數字轉換器用于分析連續輸入信號的代碼數量有限，其輸出會(huì )在鋸齒波形上產(chǎn)生誤差函數。鋸齒邊沿對應于A(yíng)DC的碼字躍遷。
為了測量量化誤差的最佳噪聲貢獻效果，假設將滿(mǎn)量程正弦波輸入完美數字轉換器：
其中q是LSB的大小，N是位數。該波形的均方根幅度即為幅度除以2的平方根。
均方根量化噪聲為
均方根滿(mǎn)量程信號與均方根量化噪聲之比為ADC理想SNR，可用分貝表示：
請記住，該表達式給出的是N位轉換器的理論限制。真實(shí)量化器無(wú)法達到這一性能水平，同時(shí)真實(shí)轉換器還有其他噪聲源，但這一數字可以作為判斷候選ADC的參考。
圖1. (上圖)采樣器導致基帶信號fa(藍色)的鏡像(紅色)與采樣頻率fS及其諧波出現偏移。(下圖)頻譜偏移等于±fa。出現在采樣速率附近的信號、噪聲和干擾頻譜向下混疊至基帶內。鏡像也將出現在較高奈奎斯特區內。
采樣
在采樣器特性中，最為人熟悉的是在大于采樣速率一半的頻率(fS/2)下混疊信號能量的特性。這一半采樣速率限制稱(chēng)為奈奎斯特頻率，用于將頻譜分割為大小相等的區段，即奈奎斯特區。第一奈奎斯特區范圍從DC至fS/2。第二奈奎斯特區占據fS/2至fS之間的頻譜，依此類(lèi)推。
現實(shí)中，采樣器混疊所有奈奎斯特區上的信號。例如，頻率fa下的基帶信號鏡像呈現為fS± fa、2fS ± fa，依此類(lèi)推(圖1上方)。同樣，出現在采樣頻率附近的信號將向下混疊至第一奈奎斯特區。該信號的鏡像也將出現在第三及第四奈奎斯特區內(圖1下方)。因此，輸入信號能量不在所需奈奎斯特區內的采樣器在混疊作用下將產(chǎn)生該信號在所需奎斯特區內的鏡像。
顯示為fa(圖1下方)的帶外信號能量不一定來(lái)自預期信號源。相反，該能量可能源自噪聲源、帶外干擾源或采用預期輸入信號工作的電路元件產(chǎn)生的失真產(chǎn)物。當為您的應用決定必要的失真性能時(shí)，這是一項重要的考慮因素。
通過(guò)在信號鏈內采樣器輸入之前加入基帶抗混疊濾波器，可以減小采樣器可用的帶外信號能量。雖然理論上可以?xún)H在需要數字化的最高頻率到達兩倍時(shí)采樣，模擬域內不存在所謂的磚墻式濾波器，即零過(guò)渡帶的濾波器。過(guò)采樣，即在大于2fS的頻率下采樣，為抗混疊濾波器過(guò)渡帶提供一些頻譜空間。
如果ADC量化噪聲與交流輸入信號無(wú)關(guān)，則噪聲分布于第一奈奎斯特區中。在這種情況下，過(guò)采樣還會(huì )通過(guò)加寬奈奎斯特區減少有效量化噪聲，從而在采樣速率每次加倍時(shí)將SNR(信噪比)增加3 dB。這相當于具有固定通帶的抗混疊濾波器。如果進(jìn)行充分過(guò)采樣，抗混疊濾波器可削弱帶外信號成分，使其混疊鏡像保持在本底噪聲以下。
應注意，如果輸入信號鎖定在采樣頻率的整數約數處，量化噪聲將不再表現為奈奎斯特區中的均勻能量分布。這種情況下，量化噪聲將表現為關(guān)于信號諧波的群集。為此，在選擇采樣速率時(shí)，應仔細考慮應用信號的頻譜特性。
SINAD和ENOB
如果失真產(chǎn)物和帶外頻譜成分混疊無(wú)法保持在本底噪聲以下，則會(huì )貢獻SINAD(信納比)。在額定輸入信號條件下，轉換器數據手冊將以dB表示SINAD。轉換器ENOB(有效位數)可能是ADC最常提到的交流規格，它是以位而非dB表示的SINAD：
如果失真積和混疊信號能量保持在本底噪聲以下，則SINAD = SNR。在此情況下，公式5只是公式4對N求解的調整形式。更常見(jiàn)的情況是SINAD < SNR。由于轉換器SINAD取決于工作和信號條件，目標應用可實(shí)現的SINAD(以及相應的ENOB)取決于如何驅動(dòng)ADC。
盡管ENOB常被提及，但它不足以描述高速轉換器的性能。眾所周知，高速轉換器擁有多個(gè)參數，單個(gè)數字不可能囊括整張規格表的 描述內容。只要不過(guò)度依賴(lài)ENOB的重要性，該數字是比較候選轉換器的合理出發(fā)點(diǎn)。
圖2. 雖然ENOB提供了候選高速ADC間的有用(盡管較粗略)對比，但描述SINAD與頻率關(guān)系的特性曲線(xiàn)更深入地反映了轉換器性能。
SINAD對頻率特性曲線(xiàn)更有價(jià)值，許多高速轉換器會(huì )呈現在數據手冊?xún)?圖2)。該曲線(xiàn)至少讓您可以針對應用所需頻率鑒別典型性能，而不局限于轉換器制造商為數據手冊規格表選定的頻率點(diǎn)。
孔徑抖動(dòng)噪聲
得到上述公式4的量化噪聲討論是以理想數字轉換器為前提，其中假設了無(wú)噪聲信號和時(shí)鐘源。在真實(shí)電路中，信號到達ADC輸入端時(shí)，已經(jīng)含有先前信號處理階段帶來(lái)的噪聲和失真產(chǎn)物。噪聲成分通常與量化噪聲無(wú)關(guān)，因此會(huì )加入平方根之和：
其中en(i)是來(lái)自作用源的噪聲，作用源處于由m個(gè)不相關(guān)源組成的系統內。
作用噪聲源之一來(lái)自采樣時(shí)鐘邊沿時(shí)序的不確定性，產(chǎn)生孔徑抖動(dòng)噪聲?？梢哉f(shuō)，該噪聲源自采樣器正在針對移動(dòng)目標捕捉交流信號的事實(shí)。采樣邊沿時(shí)序的變化導致采樣器捕捉幅度的統計分布，即噪聲(圖3)。信號頻率越高，信號斜率或壓擺率越大，因此邊沿時(shí)序既定變化導致的幅度誤差越大。這樣，既定孔徑抖動(dòng)量的效果便取決于信號頻率。
圖3. 孔徑抖動(dòng)(采樣時(shí)間上的不確定性)產(chǎn)生噪聲幅度，由于抖動(dòng)時(shí)間內的信號壓擺，該幅度取決于信號頻率。
由孔徑抖動(dòng)引起的SNR為
其中f是信號頻率，tj是均方根孔徑抖動(dòng)。通常在挑選ADC時(shí)，問(wèn)題在于目標應用在既定頻率信號的SNR要求下可以容忍的最大幅度抖動(dòng)。整理公式(7)得出
請注意，除了轉換器內的抖動(dòng)源外，應用電路內也有抖動(dòng)源。因此，電路實(shí)現的凈性能與轉換器選擇和設計其他方面(通常是時(shí)鐘產(chǎn)生電路和電路板布局)的品質(zhì)都有關(guān)系。
為了解抖動(dòng)影響既定ENOB最大信號頻率的程度，分別考慮1 ps和2 ps抖動(dòng)噪聲遠超其他性能限制參數的兩個(gè)系統。整理公式8，我們可以針對既定抖動(dòng)計算產(chǎn)生指定ENOB(或SNR)的最大信號頻率。
表1. 抖動(dòng)時(shí)間相差兩倍的系統比較
失真產(chǎn)物
信號鏈內的非線(xiàn)性造成了許多失真產(chǎn)物，通常是HD2(第二諧波失真)、HD3(第三諧波失真)、IMD2(二階交調失真)和IMD3(三階交調失真)。線(xiàn)性電路內的失真傾向于隨信號接近有源元件線(xiàn)性工作范圍的極限而逐漸增加。在代碼空間突然結束的ADC內則不是這樣。
因此，重要的是輸入跨度內有足夠的范圍容納您要進(jìn)行低失真量化的預期輸入幅度，特別是在處理復雜寬帶信號時(shí)。最終，選擇標稱(chēng)輸入幅度是為了平衡信號跨度余量，避免限制優(yōu)化SNR的需要。
顧名思義，諧波失真會(huì )產(chǎn)生數倍于信號頻率的信號偽像。相比之下，交調失真源自包含兩個(gè)或兩個(gè)以上頻率信號(事實(shí)上是任何復雜波形)的信號處理非線(xiàn)性，從而產(chǎn)生輸入頻率之和或差。
在窄帶應用中，嚴格調諧的抗混疊濾波器可削弱某些諧波失真產(chǎn)物，甚至IMD2的加性分量(圖4)。另一方面，出現在2f2 - f1和2f1 - f2的IMD3減性分量由于可能位于信號頻譜內而較為不利。
圖4. 5 MHz和6 MHz雙音輸入信號說(shuō)明了HD2(10 MHz和12 MHz下)、HD3(15 MHz和18 MHz下)、IMD(1 MHz和11 MHz下)和IMD3(4 MHz和7 Mhz下)。其中，IMD3產(chǎn)物由于接近源信號，最難通過(guò)抗混疊濾波器削弱。
SFDR
SFDR(無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍)衡量的只是相對于轉換器滿(mǎn)量程范圍(dBFS)或輸入信號電平(dBc)的最差頻譜偽像。比較ADC時(shí)，請務(wù)必確定兩種基準電平以及工作和信號條件。在數據手冊規格間直接進(jìn)行比較要求基準和信號相匹配(圖5)。
圖5. 轉換器制造商可以就轉換器滿(mǎn)量程(dBFS)或具體輸入信號幅度(dBc)指定SFDR性能。在進(jìn)行數值對比前，請確保候選轉換器的額定方式相似。
雖然SFDR表現為轉換器規格表內的數值，但該測量值本身只是采樣速率、信號幅度、信號頻率和共模工作點(diǎn)的參數。只有考察候選轉換器的特性曲線(xiàn)，才能深入了解轉換器在近似于目標應用的工作和信號條件下的性能。
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