ADI高速ADC的交流特征

　　在越来越多的高科技领域里，设计师应该考虑到常见的转换器性能特征。

　　量  化

　　每种功能对转换器交流性能均有影响。

　　由于数字转换器用于分析连续输入信号的代码数量有限，其输出会在锯齿波形上产生误差函数。锯齿边沿对应于ADC的码字跃迁。

　　为了测量情况下的量化噪声误差，

  

　　式（1）给出的是N位转换器的理论限制，因此这一数字只可作为判断候选ADC的参考。

　　采  样

　　大家一般是采熟悉的是在大于采样速率一半频率的（fs/2）下混叠信号能量的特性。

　　现实中，采样器混叠所有奈奎斯特区上的信号。

　　显示为fa的带外信号能量不一定来自预期信号源。这是失真性能的一项重要考虑因素。

　　通过在信号链内采样器输入之前加入基带抗混叠滤波器，可以减小采样器可用的带外信号能量。为抗混叠滤波器过渡带提供了一些频谱空间。

　　如果ADC量化噪声与交流输入信号无关，则噪声分布于奈奎斯特区中。在这种情况下，过采样还会通过加宽奈奎斯特区减少有效量化噪声，从而在采样速率加倍时将SNR增加3 dB，抗混叠滤波器可削弱带外信号成分，使其混叠镜像保持在本底噪声以下。

　　如果输入信号锁定在采样频率的整数约数处，在这种情况下，量化噪声将表现为关于信号谐波的群集。所以在选择采样速率时，应仔细考虑应用信号的频谱特性。

　　SINAD和ENOB

　　如果失真积和带外频谱成分混叠无法保持在本底噪声以下，则会形成SINAD。转换器在输入信号额定条件下将以dB表示SINAD。转换器ENOB可能是ADC常提到的交流规格，它便是以位而非dB表示的SINAD：
    　　如果失真积和混叠信号能量保持在本底噪声以下，则SINAD=SNR。在此情况下，式（2）只是式（1）对N求解的调整形式。更常见的情况是SINAD<SNR。由于转换器SINAD取决于工作和信号条件，目标应用可实现的SINAD（以及相应的ENOB）取决于如何驱动ADC。

　　尽管ENOB常被提及，但它不足以描述高速转换器的性能。众所周知，高速转换器拥有多个参数，单个数字不可能囊括整张规格表的描述内容。因此只要不过度依赖ENOB，其数值可作为候选转换器性能比较的一个合理起点。

　　SINAD对频率特性曲线更有价值，许多高速转换器会将其呈现在数据手册内。图2所示曲线可帮助使用者针对应用所需频率鉴别典型性能，而不局限于转换器制造商为数据手册规格表选定的频率点。

　　孔径抖动噪声

　　式（1）的量化噪声是以理想数字转换器为前提，其中假设了无噪声信号和时钟源。在真实电路中，信号到达ADC输入端时，已经含有先前信号处理阶段带来的噪声和失真积。噪声成分通常与量化噪声无关，因此会加入平方根之和：

 

　　其中en（i）是来自作用源的噪声，作用源处于由m个不相关源组成的系统内。

　　作用源之一来自采样时钟边沿时序的不确定性，产生孔径抖动噪声。可以说，该噪声得出采样器正在针对移动目标捕捉交流信号的事实。采样边沿时序的变化导致采样器捕捉幅度的统计分布，即噪声。如图3所示。信号频率越高，信号斜率或压摆率越大，因此边沿时序既定变化导致的幅度误差越大。这样，既定孔径抖动量的效果便取决于信号频率。

    由孔径抖动引起的SNR为：

    

　　其中f为信号频率，tj为均方根孔径抖动。通常，挑选ADC时存在的问题是目标应用在既定频率信号的SNR要求下可以容忍的幅度抖动。整理式(3)得出：

  

    除了转换器内的抖动源外，应用电路内也有抖动源。因此，电路实现的净性能与转换器选择和设计其他方面(通常是时钟产生电路和电路板布局)的品质都有关系。
    为了解抖动影响既定ENOB信号频率的程度，可分别考虑1 ps和2 ps抖动噪声远超其他性能限制参数的两个系统。整理式(4)，可以针对既定抖动计算产生指定ENOB（或SNR）的信号频率，如表1所示。

　　失真积

　　信号链内的非线性造成了许多失真积，通常是HD2、HD3、IMD2和IMD3。线性电路内的失真倾向于随信号接近有源元件线性工作范围的极限而逐渐增加。在代码空间突然结束的ADC内则非如此。

　　因此，重要的是输入跨度内有足够的范围容纳需要进行低失真量化的预期输入幅度，特别是在处理复杂宽带信号时。终，选择标称输入幅度是为了平衡信号跨度余量，避免限制优化SNR的需要。

　　顾名思义，谐波失真会产生数倍于信号频率的信号伪像。相比之下，交调失真源自包含两个或两个以上频率信号的信号处理非线性，从而产生输入频率之和或差。

　　在窄带应用中，严格调谐的抗混叠滤波器可削弱某些谐波失真积，甚至IMD2的加性分量，如图4所示。另一方面，出现在2f2-f1和2f1-f2的IMD3减性分量由于可出现在信号频谱内而较为不利。

　　无杂散动态范围（SFDR）

　　SFDR（无杂散动态范围）衡量的只是相对于转换器满量程范围（dBFS）或输入信号电平（dBc）的差频谱伪像。比较ADC时，务必确定两种基准电平以及工作和信号条件。在数据手册规格间直接进行比较需要基准和信号相匹配，如图5所示。

    只有考察候选转换器的特性曲线，才能深入了解转换器在近似于目标应用的工作和信号条件下的性能。