簡(jiǎn)述時(shí)鐘如何影響精密ADC

今天我們將討論時(shí)鐘如何影響精密 ADC，涉及時(shí)鐘抖動(dòng)、時(shí)鐘互調(diào)和時(shí)鐘的最佳 PCB 布局實(shí)踐。

如本系列第 9 部分所述，所有數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 系統(tǒng)都需要一個(gè)參考點(diǎn)。在那篇文章中，參考點(diǎn)是一個(gè)電壓電平，它與模擬輸入信號(hào)進(jìn)行比較以生成輸出代碼。然而，DAQ 系統(tǒng)還需要另一種類型的參考點(diǎn)，盡管不一定與電壓相關(guān)。

在 DAQ 系統(tǒng)中，時(shí)鐘作為時(shí)間參考，以便所有組件可以同步運(yùn)行。對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，準(zhǔn)確且穩(wěn)定的時(shí)鐘可確保主機(jī)向 ADC 發(fā)送命令，并且 ADC 以正確的順序從主機(jī)接收命令且不會(huì)損壞。更重要的是，系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)使用戶能夠在需要時(shí)對(duì)輸入進(jìn)行采樣并發(fā)送數(shù)據(jù)，從而使整個(gè)系統(tǒng)按預(yù)期運(yùn)行。

盡管您可能將時(shí)鐘視為數(shù)字輸入信號(hào)，但這些組件會(huì)影響精密 DAQ 系統(tǒng)的模擬性能。為了進(jìn)一步了解時(shí)鐘如何影響精密 ADC，我們將討論這些與時(shí)鐘信號(hào)相關(guān)的主題：

• 時(shí)鐘抖動(dòng)；
• 時(shí)鐘互調(diào)；和
• 時(shí)鐘的最佳印刷電路板 (PCB) 布局實(shí)踐。

時(shí)鐘抖動(dòng)

雖然您可能期望 ADC 的采樣周期完全恒定，但始終與理想情況存在一些偏差?！皶r(shí)鐘抖動(dòng)”是指時(shí)鐘波形邊沿從一個(gè)周期到下一個(gè)周期的變化。由于所有 ADC 都使用時(shí)鐘邊沿來(lái)控制采樣點(diǎn)，因此時(shí)鐘邊沿變化會(huì)導(dǎo)致采樣實(shí)例出現(xiàn)偏差。這種偏差會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換結(jié)果中的非恒定采樣頻率，作為另一個(gè)噪聲源。

與本系列迄今為止討論的大多數(shù)噪聲源類似，時(shí)鐘抖動(dòng)是隨機(jī)的，并遵循高斯分布。因此，采樣不確定性誤差也是高斯的，就像熱噪聲一樣。最終，時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì) ADC 性能的影響主要是 ADC 的本底噪聲增加，隨后是信號(hào)鏈的總熱噪聲。圖 1 顯示了由正弦輸入信號(hào)上的時(shí)鐘抖動(dòng)引起的采樣邊沿變化。

圖 1. 時(shí)鐘信號(hào)顯示由抖動(dòng)引起的采樣邊沿變化

熱噪聲增加的量取決于輸入信號(hào)的壓擺率和時(shí)鐘源中的時(shí)鐘抖動(dòng)量。您可以使用公式 1 計(jì)算 ADC 信噪比 (SNR) 的理論上限：

其中 fIN 是輸入信號(hào)頻率，tJITTER 是時(shí)鐘源的抖動(dòng)規(guī)范。對(duì)于具有較高頻率成分的信號(hào)，您可以預(yù)期輸入信號(hào)壓擺率會(huì)更高，而時(shí)鐘抖動(dòng)導(dǎo)致的 SNR 降級(jí)會(huì)更糟。

過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器（如 delta-sigma ADC）的一個(gè)主要好處是，理想的 SNR 在使用更高的過(guò)采樣率 (OSR) 時(shí)會(huì)得到改善。過(guò)采樣在定義的時(shí)間段內(nèi)平均多次轉(zhuǎn)換，這反過(guò)來(lái)又平均了一些由時(shí)鐘抖動(dòng)引起的采樣變化。等式 2 量化了由于過(guò)采樣而導(dǎo)致的 SNR 改進(jìn)，它只是等式 1 的擴(kuò)展，增加了一個(gè)與 Δ-Σ ADC 的 OSR 相關(guān)的項(xiàng)：

為了直觀顯示具有過(guò)采樣和沒有過(guò)采樣的 ADC 之間的性能差異，圖 2 繪制了方程 1 和 2 作為輸入信號(hào)頻率和抖動(dòng)的函數(shù)。每個(gè)圖都包括四種不同時(shí)鐘抖動(dòng)規(guī)格（0.5 ns、5 ns、50 ns 和 500 ns）的曲線。圖 2a 表示過(guò)采樣 ADC 的 SNR，而圖 2b 表示沒有過(guò)采樣架構(gòu)的 ADC 的 SNR。

圖 2. 過(guò)采樣 ADC 的 SNR 圖 (a)；和其他 ADC (b)

考慮到過(guò)采樣的好處，與圖 2b 中的等效抖動(dòng)規(guī)格曲線相比，圖 2a 中的四個(gè)圖提供了 21dB 的 SNR 改進(jìn)。但是，兩個(gè)圖都說(shuō)明了相同的效果：隨著輸入信號(hào)頻率或時(shí)鐘抖動(dòng)量的增加，產(chǎn)生的 SNR 會(huì)降低。因此，具有更高 SNR 目標(biāo)的應(yīng)用可能需要更昂貴、更高功率的時(shí)鐘解決方案來(lái)最小化抖動(dòng)。

例如，德州儀器 (TI) ADS127L01的評(píng)估模塊(EVM) ，一個(gè)512kSPS、24 位 delta-sigma ADC，使用 Abracon ASEMB-16.000MHZ-XY-T 低抖動(dòng)振蕩器。該振蕩器提供 5 ps 的典型周期抖動(dòng)規(guī)格，遠(yuǎn)低于圖 2 中繪制的任何抖動(dòng)規(guī)格。但是，如果您考慮低抖動(dòng)振蕩器的成本與性能權(quán)衡，您可能想知道這種選擇是必要的或只是矯枉過(guò)正。

為了幫助回答這個(gè)問(wèn)題，表 1 比較了 ADS127L01 使用“寬帶 1”數(shù)字濾波器設(shè)置的數(shù)據(jù)手冊(cè)噪聲規(guī)范，SNR 上限是針對(duì) 5 ps 和 500 ps 時(shí)鐘抖動(dòng)計(jì)算得出的。SNR 上限計(jì)算使用數(shù)字濾波器通帶頻率作為“fIN”來(lái)表示最大輸入信號(hào)頻率，這是時(shí)鐘抖動(dòng)影響最明顯的地方。

當(dāng) tJITTER = 5 ps 時(shí)，所有計(jì)算出的 SNR 值（以綠色突出顯示）都大于 ADC 的數(shù)據(jù)手冊(cè) SNR 規(guī)格。使用該時(shí)鐘源，您可以安全地假設(shè)時(shí)鐘抖動(dòng)產(chǎn)生的噪聲不會(huì)成為您系統(tǒng)的主要噪聲源。將其與以紅色突出顯示的條目進(jìn)行比較，表示 SNR 值低于 ADC 的 SNR 規(guī)范，所有這些值均針對(duì) tJITTER = 500 ps。在這種情況下，當(dāng)使用全信號(hào)帶寬時(shí)，來(lái)自時(shí)鐘抖動(dòng)的噪聲實(shí)際上會(huì)限制 ADC 可實(shí)現(xiàn)的 SNR。

表 1. TI 的 ADS127L01“寬帶 1”濾波器 SNR 與 5 ps 和 500 ps 時(shí)鐘抖動(dòng)的 SNRUpper 限制

表 1 和圖 2 的另一個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)是增加 OSR（相當(dāng)于降低 ADC 的輸出數(shù)據(jù)速率）可以進(jìn)一步提高 SNR 性能。通常，可以支持較慢輸出數(shù)據(jù)速率的系統(tǒng)正在測(cè)量移動(dòng)較慢的輸入信號(hào)。由于時(shí)鐘邊沿的輕微變化實(shí)際上被“忽視”了，這些系統(tǒng)會(huì)因抖動(dòng)而受到更少的噪聲。

最后，降低時(shí)鐘抖動(dòng)引起的噪聲的另一種方法是選擇使用集成時(shí)鐘分頻器產(chǎn)生調(diào)制器采樣時(shí)鐘的 ADC，例如 ADS131A04。時(shí)鐘分頻器僅作用于兩個(gè)輸入時(shí)鐘邊沿之一（通常是上升沿），以產(chǎn)生不超過(guò)原始輸入時(shí)鐘頻率一半的輸出時(shí)鐘頻率。由于您可以合理地假設(shè)兩個(gè)輸入時(shí)鐘邊沿都存在一些抖動(dòng)，因此將時(shí)鐘一分為二可以有效地降低輸出時(shí)鐘上的抖動(dòng)。如果您繼續(xù)多次分頻輸入時(shí)鐘，則可以進(jìn)一步減輕輸入時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì) ADC 的影響。

時(shí)鐘互調(diào)

時(shí)鐘源影響 ADC 噪聲性能和增加系統(tǒng)噪聲的另一種方式是通過(guò)時(shí)鐘互調(diào)。幾乎所有 DAQ 系統(tǒng)都有多個(gè)需要時(shí)鐘輸入的開關(guān)組件。在某些情況下，這些時(shí)鐘輸入可能需要來(lái)自不同時(shí)鐘源的不同輸入頻率。

如果這些時(shí)鐘源是離散的和異步的，它們可能會(huì)相互耦合并在頻譜中產(chǎn)生音調(diào)。給定頻率為 F1 和 F2 的兩個(gè)時(shí)鐘源，它們基頻的差值或總和會(huì)產(chǎn)生互調(diào)音調(diào)。這些被稱為二階互調(diào)產(chǎn)物，如圖 3 所示。

圖 3. 異步時(shí)鐘源引起的互調(diào)產(chǎn)物

此外，基頻與其他互調(diào)產(chǎn)物（包括它們的諧波）之間的和或差會(huì)產(chǎn)生額外的高階音調(diào)。雖然這些音調(diào)可能存在于您感興趣的信號(hào)帶寬之外，但它們?nèi)匀豢梢曰殳B到 ADC 通帶中并降低 SNR 和總諧波失真等 AC 規(guī)格。

圖 4 中的快速傅立葉變換 (FFT) 說(shuō)明了這些互調(diào)效應(yīng)。使用具有短路輸入（0-V 差分輸入）的 ADC，處理器時(shí)鐘設(shè)置為 12 MHz，而 ADC 調(diào)制器時(shí)鐘降低到 11.996 MHz，產(chǎn)生 4 kHz 的差異。

圖 4. FFT 顯示了 4 kHz 倍數(shù)的互調(diào)音

由于處理器和 ADC 時(shí)鐘的差異，2 階互調(diào)音出現(xiàn)在 4 kHz 的頻譜中，并在 4 kHz 的倍數(shù)處產(chǎn)生額外的諧波。這說(shuō)明了互調(diào)產(chǎn)物如何直接落入 ADC 的通帶并產(chǎn)生噪聲。

為了緩解這個(gè)問(wèn)題，寬帶應(yīng)用通常使用一個(gè)時(shí)鐘源來(lái)生成系統(tǒng)中使用的所有其他頻率，以確保它們都是同步的。另一種有用的緩解技術(shù)是選擇在感興趣的信號(hào)帶寬內(nèi)最不可能產(chǎn)生音調(diào)的時(shí)鐘頻率和采樣率。

時(shí)鐘的最佳 PCB 布局實(shí)踐

在為您的時(shí)鐘源設(shè)計(jì) PCB 布局時(shí)，請(qǐng)注意保持時(shí)鐘信號(hào)盡可能干凈。盡管它被視為數(shù)字輸入，但將時(shí)鐘信號(hào)視為另一個(gè)重要的模擬信號(hào)。最小化走線阻抗，將走線遠(yuǎn)離串行外設(shè)接口 (SPI) 信號(hào)和其他噪聲電路，并考慮包括用于串聯(lián)電阻器和并聯(lián)電容器的 PCB 封裝，以幫助處理反射或過(guò)沖。圖 5 顯示了來(lái)自ADS127L01EVM的示例時(shí)鐘布局。

圖 5. 示例時(shí)鐘布局

圖 5 中的紅線跟蹤從源到 ADC（U26，以紅色突出顯示）的時(shí)鐘路徑。時(shí)鐘路徑從時(shí)鐘源 (Y1) 開始，然后被送入時(shí)鐘扇出緩沖器 (U23)。這兩個(gè)組件在圖 5 的右上角以藍(lán)色突出顯示。時(shí)鐘扇出緩沖器生成原始輸入時(shí)鐘頻率的兩個(gè)相同副本：一個(gè)用于驅(qū)動(dòng) ADC，另一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)微控制器（通過(guò) R55）。

為了進(jìn)入 ADC，時(shí)鐘信號(hào)繼續(xù)通過(guò)一個(gè)與時(shí)鐘緩沖器輸出串聯(lián)的 43 Ω 小電阻器 (R56)，以幫助抑制反射。然后時(shí)鐘信號(hào)連接到跳線 (JP6)，該跳線選擇三個(gè)不同的 ADC 時(shí)鐘頻率之一。另外兩個(gè)時(shí)鐘頻率由兩個(gè) D 觸發(fā)器（U24 和 U25，在圖 5 中以黃色突出顯示）產(chǎn)生。這些組件對(duì)時(shí)鐘緩沖器輸出進(jìn)行分頻以產(chǎn)生用于其他兩種模式的時(shí)鐘：“低功耗”(LP) 模式和“極低功耗”(VLP) 模式。所有三種模式選擇也與原始時(shí)鐘源同步。在圖 5 中，紅色實(shí)線穿過(guò)“高分辨率”(HR) 模式選擇。

在跳線之后，選定的時(shí)鐘信號(hào)在到達(dá) ADC 時(shí)鐘引腳之前通過(guò)另一個(gè)電阻器 (R60) 和一個(gè)并聯(lián)電容器 (C76)。路徑盡可能短且直接。SPI 接口信號(hào)（以綠色突出顯示）也遠(yuǎn)離時(shí)鐘輸入，直到它們到達(dá) ADC。

獲得最佳性能的其他時(shí)鐘提示

如果您遵循此處提供的時(shí)鐘布局指南，但仍懷疑您的時(shí)鐘正在降低 ADC 性能，則需要測(cè)試一些其他與時(shí)鐘相關(guān)的問(wèn)題。

ADC 輸入端的時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量

如果 ADC 時(shí)鐘輸入引腳上的時(shí)鐘信號(hào)顯示過(guò)度的過(guò)沖和振鈴，您可能需要通過(guò)添加或增加小型串聯(lián)電阻器和并聯(lián)電容器（分別為圖 5 中的 R60 和 C76）的大小來(lái)進(jìn)一步壓擺時(shí)鐘邊沿。添加這些組件可以有效地將低通濾波器應(yīng)用于時(shí)鐘輸入，同時(shí)保留基本時(shí)鐘頻率。

您可能還會(huì)注意到時(shí)鐘邊沿中的“擱架”或“階梯”。這是由時(shí)鐘信號(hào)沿走線傳輸并進(jìn)入高阻抗輸入時(shí)的反射引起的。串聯(lián)電阻器將有助于抑制這些時(shí)鐘反射。

ADC 上的電源引腳

因?yàn)?ADC 的 DVDD 輸入和時(shí)鐘源或時(shí)鐘緩沖器可能共享同一個(gè)數(shù)字電源，所以檢查這些引腳是否有大的瞬變。瞬態(tài)由電流的突然需求引起，可能需要額外的去耦電容器來(lái)抑制。但是在選擇去耦電容器的尺寸時(shí)要小心：較小的去耦電容器具有較小的電感并且可以更快地提供必要的電流，而較大的去耦電容器有助于存儲(chǔ)大部分必要的電荷并過(guò)濾電源軌上的任何噪聲。可能需要結(jié)合使用兩種尺寸的去耦電容器來(lái)保持?jǐn)?shù)字電源的安靜和穩(wěn)定。

另一種有助于減少耦合到 ADC 輸出的瞬變的技術(shù)是在 ADC 數(shù)字電源引腳和時(shí)鐘源或時(shí)鐘緩沖器電源引腳之間放置一個(gè)小鐵氧體磁珠。

分割地平面

如果您的 PCB 尺寸不允許將時(shí)鐘電路放置在遠(yuǎn)離敏感模擬電路的地方，則可能有助于部分分離接地以隔離時(shí)鐘電流的返回路徑。但是，應(yīng)始終將接地層的兩側(cè)盡可能靠近器件，以避免 ADC 的模擬部分和數(shù)字部分之間出現(xiàn)顯著的接地電位差。

消除時(shí)鐘源噪聲的信號(hào)鏈

最終，遵循本文中推薦的做法和程序應(yīng)該有助于避免最常見的時(shí)鐘相關(guān)問(wèn)題，并確保您的時(shí)鐘源不是信號(hào)鏈噪聲的最大貢獻(xiàn)者。