??? 摘? 要: 首先從理論上分析了影響ADC信噪比" title="信噪比">信噪比的因素,然后以此為依據(jù),從電路設(shè)計(jì)和器件選擇兩方面出發(fā),采用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6644AST-65進(jìn)行高速高分辨率ADC電路的設(shè)計(jì),并給出電路實(shí)測(cè)結(jié)果。

??? 關(guān)鍵詞: ADC? 有效位數(shù)? 信噪比? 高速高分辨率

?

??? 在雷達(dá)、導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域中,由于信號(hào)帶寬寬(有時(shí)可能高于10MHz),要求ADC的采樣率高于30MSPS,分辨率大于10位。目前高速高分辨率ADC器件在采樣率高于10MSPS時(shí),量化位數(shù)可達(dá)14位,但實(shí)際分辨率受器件自身誤差和電路噪聲的影響很大。在數(shù)字通信、數(shù)字儀表、軟件無(wú)線電等領(lǐng)域中應(yīng)用的高速ADC電路,在輸入信號(hào)" title="輸入信號(hào)">輸入信號(hào)低于1MHz時(shí),實(shí)際分辨率可達(dá)10位,但隨輸入信號(hào)頻率的增加下降很快,不能滿足軍事領(lǐng)域的使用要求。??

??? 針對(duì)這一問(wèn)題,本文主要研究在不采用過(guò)采樣、數(shù)字濾波和增益自動(dòng)控制^[2]等技術(shù)條件下,如何提高高速高分辨率ADC電路的實(shí)際分辨率,使其最大限度地接近ADC器件自身的實(shí)際分辨率,即最大限度地提高ADC電路的信噪比。為此,本文首先從理論上分析了影響ADC信噪比的因素;然后從電路設(shè)計(jì)和器件選擇兩方面出發(fā),設(shè)計(jì)了高速高分辨率ADC電路。經(jīng)實(shí)測(cè)表明,當(dāng)輸入信號(hào)頻率為0.96MHz時(shí),該電路的實(shí)際分辨率為11.36位;當(dāng)輸入信號(hào)頻率為14.71MHz時(shí),該電路的實(shí)際分辨率為10.88位。

1 影響ADC信噪比因素的理論分析

??? ADC的實(shí)際分辨率是用有效位數(shù)ENOB標(biāo)稱的。不考慮過(guò)采樣,當(dāng)滿量程單頻理想正弦波輸入時(shí),實(shí)際分辨率可用下式表示:

???

??? 式中,SINAD表示ADC的信噪失真比,指ADC滿量程單頻理想正弦波輸入信號(hào)的有效值" title="有效值">有效值與ADC輸出信號(hào)的奈奎斯特帶寬內(nèi)的全部其它頻率分量(包括諧波分量,但不包括直流分量)的總有效值之比。

??? ADC的信噪比SNR,指ADC滿量程單頻理想正弦波輸入信號(hào)的有效值與ADC輸出信號(hào)的奈奎斯特帶寬內(nèi)的全部其它頻率分量(不包括直流分量和諧波分量)總有效值之比。

??? 由此可知,當(dāng)ADC的總諧波失真" title="諧波失真">諧波失真THD一定時(shí),有效位數(shù)ENOB取決于SNR;ADC的SNR越高,其有效位數(shù)ENOB就越高。下面就來(lái)分析影響ADC信噪比SNR的因素。

??? 理想ADC的噪聲由其固有的量化誤差(也稱為量化噪聲,如圖1所示)產(chǎn)生。但實(shí)際使用的ADC是非理想器件,它的實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線之間存在偏差,表現(xiàn)為多種誤差,如零點(diǎn)誤差、滿度誤差、增益誤差、積分非線性誤差I(lǐng)NL、微分非線性誤差DNL等。其中,零點(diǎn)誤差、滿度誤差、增益誤差是恒定誤差,只影響ADC的絕對(duì)精度,不影響ADC的SNR。INL指的是在校準(zhǔn)上述恒定誤差的基礎(chǔ)上,ADC實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線的最大偏差。而DNL指的是ADC實(shí)際量化間隔與理想量化間隔的最大偏差,改變ADC的量化誤差,能更直接地計(jì)算出ADC實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線的偏差對(duì)ADC的SNR的影響。

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?

??? 非理想ADC,除了上述誤差外,還有各種噪聲,如熱噪聲" title="熱噪聲">熱噪聲、孔徑抖動(dòng)。前者是由半導(dǎo)體器件內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,后者是由ADC孔徑延時(shí)的不確定性造成的。而ADC的外圍電路同樣會(huì)帶來(lái)噪聲,如ADC輸入級(jí)電路的熱噪聲?電源/地線上的雜波、空間電磁波干擾、外接時(shí)鐘的不穩(wěn)定性(導(dǎo)致ADC各采樣時(shí)鐘沿出現(xiàn)時(shí)刻不確定,帶來(lái)孔徑抖動(dòng))等,可以把它們都等效為ADC的上述兩種內(nèi)部噪聲。

??? 上述誤差和噪聲的存在,導(dǎo)致ADC的SNR下降。下面先給出理想ADC的SNR計(jì)算公式,然后具體分析微分非線性誤差DNL?孔徑抖動(dòng)Δt_j和熱噪聲對(duì)ADC的SNR的影響。

1.1 理想ADC的SNR

??? 理想ADC的量化誤差q(v)與滿量程內(nèi)輸入信號(hào)的電壓V的關(guān)系如圖1所示。勻分布且峰-峰值等于q(q=1LSB,LSB表示理想ADC的最小量化間隔)的鋸齒波信號(hào)。

??? 設(shè)N位ADC滿量程電壓為±1V,輸入信號(hào)為S(t)=sinωt,

1.2 微分非線性誤差DNL

??? 非理想ADC的量化間隔是非等寬的,這將導(dǎo)致ADC器件不能完全正確地把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二進(jìn)制碼,從而造成SNR的下降;且ADC每個(gè)量化的二進(jìn)制碼所對(duì)應(yīng)的量化間隔都不同,為便于分析,用ε(LSB)=εq表示實(shí)際量化間隔與理想量化間隔誤差的有效值,并近似認(rèn)為由于DNL的影響,在無(wú)失碼條件(DNL<1LSB)下,量化誤差均勻分布在如圖1中實(shí)線所示(虛線為理想ADC量化誤差)。這樣,在考慮了DNL之后的ADC量化噪聲電壓V_{q_DNL}為:

??

1.3 孔徑抖動(dòng)Δt_j

??? 孔徑時(shí)間又稱孔徑延遲時(shí)間,是指對(duì)ADC發(fā)出采樣命令(采樣時(shí)鐘邊沿)時(shí)刻與實(shí)際開始采樣時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。相鄰兩次采樣的孔徑時(shí)間的偏差稱為孔徑抖動(dòng),記作Δt_j?？讖蕉秳?dòng)造成了信號(hào)的非均勻采樣,引起了誤差,設(shè)ADC滿量程電壓為±1V,輸入信號(hào)為S(t)=sinωt,孔徑抖動(dòng)有效值為σ_Δtj,則由孔徑抖動(dòng)帶來(lái)的誤差電壓為:

???

1.4 熱噪聲

??? 這里將ADC電路中微分非線性誤差DNL?孔徑抖動(dòng)Δt_j外的其它噪聲都等效為ADC輸入端的熱噪聲電壓V_tn,設(shè)其有效值為σ_tn。

1.5 非理想ADC的SNR

??? 一般情況下,量化噪聲?微分非線性誤差DNL?孔徑抖動(dòng)Δt_j和熱噪聲彼此相互獨(dú)立,綜合考慮這四個(gè)因素的影響,可得到ADC的SNR計(jì)算公式如下:

??? 對(duì)于高分辨率ADC器件,其固有量化誤差、微分非線性誤差DNL和器件熱噪聲均較小。當(dāng)f_in較高時(shí),ADC電路的SNR主要取決于孔徑抖動(dòng),此時(shí)有

???

2 基于AD6644AST-65的高速高分辨率ADC電路設(shè)計(jì)實(shí)例

??? 電路設(shè)計(jì)目標(biāo):有效位數(shù)ENOB≥10.50bit?采樣率為40MSPS?輸入信號(hào)頻率小于15MHz,輸入信號(hào)幅度為-1dBFs。該指標(biāo)能滿足數(shù)字儀表、高速數(shù)據(jù)采集卡、軟件無(wú)線電和雷達(dá)、導(dǎo)航等領(lǐng)域中數(shù)字波束形成的要求。

2.1 電路設(shè)計(jì)與器件選擇

??? 本電路主要由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、輸入電路、輸出電路、時(shí)鐘電路和電源電路組成,如圖2所示。

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?

2.1.1 時(shí)鐘電路

??? 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)主要包括AD6644AST-65采樣時(shí)鐘相位噪聲指標(biāo)的確定以及PECL差分時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)。

??? ADC電路的孔徑抖動(dòng)有效值σ_Δtj包括ADC器件自身的孔徑抖動(dòng)有效值σ_{Δtj_ADC}和ADC外接采樣時(shí)鐘的相位抖動(dòng)有效值σ_{Δtj_clk},設(shè)電路總諧波失真帶來(lái)的SINAD損失不大于1dB、電路的熱噪聲不大于1.50LSB,根據(jù)公式(1)和公式(5)計(jì)算得到的采樣時(shí)鐘的相位抖動(dòng)應(yīng)滿足:

??? AD6644AST-65的PECL差分時(shí)鐘由一個(gè)標(biāo)稱頻率為40MHz的TTL/COMS輸出的石英晶體振蕩器JVC X40和一片美國(guó)安森美公司的TTL/COMS-PECL電平轉(zhuǎn)換芯片MC100ELT22實(shí)現(xiàn)。該P(yáng)ECL差分時(shí)鐘的相位抖動(dòng)有效值

2.1.2 ADC輸入電路

??? ADC輸入電路多采用運(yùn)放直流耦合或變壓器交流耦合方式,為輸入信號(hào)提供增益?偏置和緩沖。

??? 由于運(yùn)放為有源器件,除具有一定的諧波失真外,還存在主要集中在低頻段的1/f噪聲和較寬頻帶內(nèi)的白噪聲。這些噪聲和諧波失真都降低了運(yùn)放的信噪比SNR和有效位數(shù)ENOB。當(dāng)運(yùn)放的SNR不明顯優(yōu)于甚至低于ADC的SNR時(shí),它帶來(lái)的噪聲是不容忽視的,對(duì)于高分辨率ADC電路,甚至是不能接受的。而作為無(wú)源器件的變壓器,一般認(rèn)為它的噪聲和諧波失真是微乎其微?可以忽略的。因此,本電路的輸入電路采用變壓器交流耦合方式,選用Mini-Circuits公司的變壓器T4-6T。

??? 為進(jìn)行比較,同時(shí)也提供運(yùn)放直流耦合方式,采用ADI公司的低噪運(yùn)放AD8138。根據(jù)AD8138的關(guān)參數(shù),計(jì)算得到的AD8138輸出的總諧波失真和熱噪聲之和大于1LSB。該指標(biāo)可能導(dǎo)致無(wú)法滿足電路熱噪聲不大于1.50LSB的設(shè)計(jì)要求,并帶來(lái)更大的諧波失真。因此可預(yù)知,采用AD8138時(shí),ADC電路的有效位數(shù)ENOB會(huì)比采用變壓器時(shí)的有效位數(shù)ENOB有所下降,甚至達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 ADC輸出電路

??? ADC的模擬輸入和數(shù)據(jù)輸出之間存在少量的寄生電容,ADC數(shù)據(jù)輸出線上的噪聲會(huì)通過(guò)這些寄生電容耦合到模擬輸入端,導(dǎo)致ADC的SNR和有效位數(shù)ENOB下降。為解決這一問(wèn)題,可在ADC數(shù)據(jù)輸出端接一鎖存器。

??? 為減小ADC電源的波動(dòng),應(yīng)盡量降低ADC輸出端的負(fù)載電容和輸出電流。在ADC數(shù)據(jù)輸出端接一鎖存器可避免將其直接連在數(shù)據(jù)總線上,有效限制了其輸出端的負(fù)載電容;在ADC每一個(gè)數(shù)據(jù)輸出端都串聯(lián)一個(gè)電阻,可限制其輸出電流。

??? 本電路采用74LC574作為AD6644AST-65的輸出數(shù)據(jù)鎖存器,同時(shí)每一個(gè)數(shù)據(jù)輸出端都串聯(lián)一個(gè)100Ω的電阻。

2.1.4 電源?地和去耦電路

??? AD6644AST-65的電源抑制比PSRR≈±1mV/V^[3],當(dāng)外接電源的紋波為峰-峰值100mV時(shí),等效于在AD6644AST-65輸入端產(chǎn)生100μV(0.77LSB)大小的噪聲,這相對(duì)于設(shè)計(jì)指標(biāo)而言是不能接受的。為減小外接電源對(duì)電路的影響,本電路采用Linear公司的低壓差LDO線性穩(wěn)壓器LT1086-5和LT1117-3.3(兩個(gè)芯片的PSRR均大于60dB)對(duì)外接穩(wěn)壓電源進(jìn)行穩(wěn)壓,為AD6644AST-65等模擬電路提供5V電源和3.3V電源。

??? 時(shí)鐘、ADC的輸出信號(hào)以及后級(jí)數(shù)字電路的數(shù)字信號(hào)的跳變都會(huì)引起電源電流的急劇變化,由于印刷電路板的電源線和地線上存在分布電阻?電容和電感,當(dāng)有變化的電流經(jīng)過(guò)時(shí),其上的壓降也隨之變化;頻率較高時(shí),就表現(xiàn)為電地間的高頻雜波。為降低這類雜波干擾,本電路采取以下措施:

??? ·時(shí)鐘電路的5V電源,由VCC_5VA串聯(lián)一磁珠FB得到;

??? ·AD6644AST-65后級(jí)數(shù)字電路的3.3V電源,由VCC_3.3VA串聯(lián)一磁珠FB得到;

??? ·模擬地和數(shù)字地分開布線,并在一點(diǎn)用磁珠FB相連;

??? ·ADC的所有電源管腳都就近對(duì)地接去耦電容。

??? 磁珠對(duì)MHz級(jí)以上的信號(hào)有較好的吸收作用,能有效降低時(shí)鐘電源?數(shù)字電源對(duì)AD6644AST-65模擬電源的影響,以及數(shù)字地對(duì)模擬地的影響。

??? 去耦對(duì)于高速高分辨率ADC電路尤為重要。為此,本電路采用0.01μF的NPO材料(屬低損耗?超穩(wěn)定的電容材料,電氣特性基本上不隨溫度、電壓、時(shí)間的變化而變化,自諧振頻率較高,適用于高頻場(chǎng)合)的1206封裝的貼片電容和0.1μF的X7R材料(屬穩(wěn)定性電容材料,電氣特性隨溫度、電壓、時(shí)間變化不明顯,適用于中、低頻場(chǎng)合)的0805封裝的貼片電容并聯(lián),有效地濾除電地間較寬頻帶的雜波。

2.1.5 電路板的布局布線

??? ADC界于模擬電路和數(shù)字電路之間,且通常被劃歸為模擬電路。為減小數(shù)字電路的干擾,應(yīng)將模擬電路和數(shù)字電路分開布局;為減小信號(hào)線上的分布電阻、電容和電感,應(yīng)盡量縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度和增大導(dǎo)線之間的距離;為減小電源線和地線的阻抗,應(yīng)盡量增大電源線和地線的寬度,或采用電源平面、地平面。本電路在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí),都遵循了以上原則。

2.2 電路測(cè)試結(jié)果

??? 采用信號(hào)發(fā)生器HP8640B產(chǎn)生0～15MHz的單頻正弦信號(hào),經(jīng)相應(yīng)帶通濾波器濾波(各次諧波均小于-90dBc)后作為本電路的輸入信號(hào),濾波后信號(hào)在AD6644AST-65輸入端幅度為-1dBFs。

??? AD6644AST-65輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)74LC574鎖存后,存儲(chǔ)于邏輯分析儀HP16702A中。HP16702A狀態(tài)分析時(shí)鐘取自AD6644AST-65的DRY管腳,該信號(hào)頻率和AD6644AST-65采樣時(shí)鐘頻率一致,為40MHz。

??? 通過(guò)對(duì)邏輯分析儀HP16702A每次存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行16384點(diǎn)FFT分析,可得到奈奎斯特帶寬內(nèi)總功率P_Σ、輸入信號(hào)功率P_s以及總諧波失真與噪聲功率之和P_n+THD=P_Σ-P_s。經(jīng)計(jì)算得到電路的有效位數(shù)ENOB=[SINAD(dB)-1.76]/6.02=[P_s(dB)-P_n+THD(dB)-1.76]/6.02。

??? 圖3(a)?(b)?(c)為在三種不同測(cè)試條件下,AD6644AST-65輸出數(shù)字信號(hào)的FFT分析頻譜圖和有效位數(shù)ENOB。

?

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??? 圖3(c)表明,當(dāng)f_in=0.96MHz、AD6644AST-65輸入端采用運(yùn)放AD8138直流耦合時(shí),電路熱噪聲和諧波失真明顯增加,電路的有效位數(shù)ENOB約為10.74bit,比圖3(a)的ENOB小0.6bit左右。由此可見,有源器件對(duì)高速高分辨率ADC電路性能的影響是很大的。

??? 理論分析和實(shí)際電路的測(cè)試結(jié)果都說(shuō)明,高速高分辨率ADC電路設(shè)計(jì)應(yīng)選用低噪器件;當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高時(shí),應(yīng)選用低相位抖動(dòng)的時(shí)鐘源;在進(jìn)行電路板布局布線時(shí),應(yīng)注意電源噪聲的抑制和減小數(shù)字電路對(duì)模擬電路的影響。

參考文獻(xiàn)

1 高光天,薛天宇,孟慶昌. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù).北京:科學(xué)出版社,2001

2 張大慶,萬(wàn)德鈞.一種寬動(dòng)態(tài)范圍高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì).自動(dòng)化儀表,2003;24(1)

3 AD6644數(shù)據(jù)手冊(cè).美國(guó)模擬器件公司,2000

4 Product Testing and Characterization in the Infrastructure Group of the Communications Division of ADI.美國(guó)模擬器件公司,2000