为高速A/D转换应用设计无噪声时钟

A/D转换设计中的噪声有三个量化噪声、ADC自身产生的噪声以及源于转换器周围电路设计与布局方法的噪声。前两种噪声主要取决于在设计中选择的 ADC 器件。第三种噪声则主要是设计能力的反映，特别是时钟电路。时钟信号上无用的时基抖动、时钟线的错误设计以及时钟线布线错误等，都可以使噪声耦合到模拟信号转换过程中。

需要无时基抖动的时钟
时基抖动是描述在一个波形里各个周期间的差异，ADC 采样时钟里的时基抖动会增加噪声。实际上，在对高频输入信号进行数字化处理时，时基抖动是主要的噪声源。这是因为，ADC 时钟里的抖动会引起信号采样时间的变化，从而导致采样信号的输出也发生变化。例如，如果打算在波形每个周期的同一点上进行采样，但由于时基抖动的原因，采样电平可能会在 1.14V~1.15V 之间变化，大约 10mV 的范围。这就意味着在 ADC 的输出端有 10 mV 的噪声。对一个 6 或 8 位的转换器来说这可能不算什么问题，但对更高转换器的影响就不可忽视了。
在系统信噪比不下降的情况下，时基抖动容错率由 ADC 和输入信号频率决定。允许时基抖动的公式是：
tj=1/(2(n+1)×P×fin) (1)
其中，n是 ADC 的，fin是输入信号的频率。大多数设计者在这个公式中用2n作系数，但这仅将噪声限制在一个LSB。使用 2(n+1) 作系数可以将噪声限制在1/2 LSB，这实际上意味着无噪声。注意：ADC 的采样率和输入信号的幅度都没有出现在这个公式中。
为了对设计进行的评估，输入信号必须是稳定的，这意味着按公式(1)的定义，输入信号应该是单频率、无抖动的。然而，即使是的信号发生器发出的信号也会在一片 ADC 产生的电平上存在谐波和噪声成份。因此，为了保证给 ADC 送入的是单一频率信号，使用了一个具有窄阻带衰减的窄带带通滤波器。衰减要求为 20 log 2n，其中n为 ADC 的或位数。
在评估设计时，合理的布局设计可以将噪声降到程度，特别是对高于 8 位的转换器。图 1a 表示的是在不降低系统信噪比情况下，三种 ADC 的输入频率和与允许时基抖动的关系图，这三种 ADC 分别是：8 位、200MSPS 转换器；10 位、80MSPS 转换器；12 位、66MSPS 转换器。图 1b 与 1a 相同，但纵坐标被展宽了。从图 1b 可以看出，在高输入频率和高条件下，似乎不可能消除引发噪声的时基抖动。但是，小心地选择时钟源以及连接到 ADC 的方式，适当地注意设计与布局，都可以实现采集系统整体性能的化。
在设计时钟电路时，使用 RC 时基电路和逻辑门通常不是一个好办法，至少对高速 ADC 是这样。原因是这些时基电路有太多的抖动误差。对于低速转换系统，特别是转换直流信号的系统，只有当转换速率明显低于逻辑门的速率时，才可以使用它们。
用分频器建立时钟也不是一个好的选择，因为分频器也同简单的逻辑门一样有抖动问题，而且在时钟设计中级联的个数越多，意味着抖动误差也越多。PLL 产生抖动的缺陷是显而易见的，所以也不是一个好的时钟设计选择。
图 2 显示了一种低抖动时钟源的设计方案。电路使用了ADC08200 评估板(ADC08200 是8 位、200MHz ADC)。ADC08200 需要一个 TTL 电平的时钟，但很难找到带 TTL 输出的极高频晶振。然而 Pletronics和其它一些晶振制造厂在有足够订单时能够生产这种晶振。另外对这个设计，还可以找到 NTE65(NTE 电子公司生产)的代用品，但对本电路来说，这些产品可能没有足够的增益。
降低时钟噪声
不仅不良的时钟设计会成为时基抖动的来源，时钟线布线或接地不良，以及能量与其它信号源的耦合等都会造成时基抖动。为了减少潜在的时钟噪声，就要使进入 ADC 的时钟走线越短越好。理想状态下，应该将时钟源紧靠 ADC。在 FR4 基质的电路板上，传播速率的典型值大约 为6ps/mm。
在许多时钟终端方法中，时钟源的串联终端法是简单的。当时钟线特性阻抗为 100ohm，而驱动器为 50ohm 时，需要在驱动器处串联一个 50ohm 的终端器，以使整体阻抗保持在100 ohm。
如果还有噪声问题，那么就应该使用一个交流终端。交流终端是一个串联在时钟线与地之间的 RC 电路，它应该尽可能地靠近 ADC 的时钟引脚。交流终端中的电阻值等于时钟线的特性阻抗，电容值按如下方法确定：电容值与时钟信号上升时间的乘积要大于该线上往返延迟时间(round trip delay)的两倍。
还要特别注意时钟信号的布线。不要沿着其它信号线布放时钟线，那样会造成相互的干扰。例如，不要把时钟线布得太靠近其它高速数字源，因为它们会造成时钟线上的抖动。也不要把时钟线布在其它模拟区，那样将会增加其它模拟区的噪声。
以上方法的目的就是在合理的范围内，尽量缩短时钟线的长度，既让它们远离低电平的模拟区，也远离高电平的数字区。
还有一种好的设计方法是在时钟线两边布上防护线(guard trace)。这就象在线外包了一层屏蔽层，还可以更好地控制阻抗。使用防护线不会把噪声与地隔绝开，但可以帮助将地层的噪声影响降到程度。只要时钟线在驱动某个固定阻抗，则线上就有电流，也就有地层噪声。总之，不用费太多精力去隔绝地层噪声，而是尝试去减少它在地层的影响。
以上这种时钟设计对改善数据采集设计的 SNR 性能大有帮助。■