評(píng)估高分辨率ADC時(shí)采用低抖動(dòng)時(shí)鐘源的必要性

“在依然能夠獲得良好 SNR 結(jié)果的情況下，最差情況的 ADC 時(shí)鐘可怎樣呢?”雖然從來(lái)沒(méi)有客戶直接向我提及這一問(wèn)題，但我的確定期地被問(wèn)到有關(guān)采用不適合高分辨率 ADC 的時(shí)鐘源之問(wèn)題?！狦uy Hoover

通常，它需要一個(gè)可具有高達(dá) 1nsRMS 抖動(dòng)的函數(shù)發(fā)生器。常常需要采用一個(gè)高質(zhì)量的 RF 發(fā)生器或晶體振蕩器以從 16 或 18 位 ADC 獲得最佳的 SNR 值，即使在相對(duì)較低的輸入頻率下也不例外。本文我將使用安裝了 LTC2389-18 2.5Msps 18 位 ADC 和 LTC PScope 軟件的 DC1826A-A 演示板，來(lái)說(shuō)明抖動(dòng)對(duì)于 SNR 性能的影響以及怎樣降低一個(gè)噪聲時(shí)鐘源的抖動(dòng)。

作為基線，DC1826A-A 的時(shí)鐘輸入采用一個(gè)羅德與施瓦茨 SMB100A RF 發(fā)生器來(lái)驅(qū)動(dòng)，并由 Stanford Research SR1 提供模擬輸入。結(jié)果是圖 1 中的 PScope 數(shù)據(jù)，其產(chǎn)生一個(gè) 98.247dBFS SNR。

圖 1：基線 FFT 顯示：對(duì)于 LTC2389-18，SNR 為 98.247dBFS

該 SNR 是通過(guò)將低于全標(biāo)度的輸入電平 (-1.047dBFS) 加至已測(cè) SNR 獲得的。ADC 之 CNV 輸入端上的 18.8psRMS 抖動(dòng)可采用一臺(tái) Agilent Infiniium 9000 系列示波器或同等檔次的示波器進(jìn)行測(cè)量?；诙秳?dòng)和輸入頻率的 SNR 理論極限值為

20 * log (2 * π * fIN * tjitter)

其中：

tjitter 為 RMS 抖動(dòng)

fIN 為輸入頻率

代入針對(duì)該例的數(shù)值得出的 SNR 為

20 * log (2 * π * 20kHz * 18.8ps) = 112.5dB

隨后必須將該值與 ADC SNR 進(jìn)行 RMS 求和運(yùn)算以產(chǎn)生一個(gè)有效 SNR。查看 LTC2389 的產(chǎn)品手冊(cè)，在 2kHz 頻率下用于演示板電路 (圖 7a 和 7b) 的典型 SNR 為 98.8dB。

LTC2389 的產(chǎn)品手冊(cè)，圖 7a 和 7b

產(chǎn)品手冊(cè)中給出的“SNR 與輸入頻率的關(guān)系曲線”顯示：在本實(shí)驗(yàn)所采用的 20kHz 輸入頻率下，SNR 產(chǎn)生大約 0.3dB 的滾降，因此 98.8dB 的數(shù)字將調(diào)節(jié)至 98.5dB。98.5dB 與 112.5dB 的 RMS 之和為 98.3dB，這近似于圖 1 中獲得的結(jié)果。

圖 2：DC1826A-A 之 CNV 輸入端上的 RMS 抖動(dòng) (采用 SMB100A 時(shí)鐘源)

既然已經(jīng)獲得了一個(gè)基線 SNR 測(cè)量結(jié)果，那么假如使用一個(gè)具較高抖動(dòng)的時(shí)鐘源會(huì)發(fā)生什么呢? 如圖 3 所示，當(dāng)采用 XXXX-YYYYY (制造商及型號(hào)隱去) 發(fā)生器時(shí)，測(cè)得的抖動(dòng)為 76.5psRMS。在該抖動(dòng)水平下的SNR 理論極限值為 100.3dB，當(dāng)其與 LTC2389-18 的 98.5dB 進(jìn)行 RMS 求和運(yùn)算時(shí)，得出的結(jié)果為 96.3dB。

圖 3：噪聲時(shí)鐘源在 DC1826A-A 的 CNV 輸入端上產(chǎn)生 76.5psRMS 抖動(dòng)

圖 4 的 PScope 截屏中示出的 96.2dBFS 測(cè)量 SNR 基本吻合。在相對(duì)較低的 20kHz 輸入頻率下，SNR 指標(biāo)降低了 2dB，且附加的時(shí)鐘抖動(dòng)小于 60ps。在 100kHz 輸入頻率下，SNR 將降至 86dB。

圖 4：采用噪聲時(shí)鐘源時(shí) LTC2389-18 的 SNR 指標(biāo)降低至 96.2dBFS

問(wèn)：噪聲時(shí)鐘源 (例如：剛剛檢查的時(shí)鐘源) 上的抖動(dòng)可以減低嗎?

采用先前的時(shí)鐘源，在時(shí)鐘的輸出和演示板的時(shí)鐘輸入之間插入一個(gè) TTE 低通濾波器。測(cè)得的時(shí)鐘抖動(dòng)減小至 54.7psRMS (如圖 5 所示)，而最終的 SNR 則改善至 96.8dBFS (如圖 6 給出的 PScope 截屏所示)。

圖 5：噪聲時(shí)鐘源的低通濾波降低了 CNV 輸入端上的抖動(dòng)

圖 6：噪聲時(shí)鐘源的低通濾波輕微改善了 SNR

雖然取得了小幅改善，但其仍然不如基線 SNR 測(cè)量結(jié)果那么好。接著，插入一個(gè) TTE 帶通濾波器以替代低通濾波器。現(xiàn)在，測(cè)得的時(shí)鐘抖動(dòng)為 16.7psRMS (如圖 7 所示)，而 SNR 的測(cè)量結(jié)果則顯著地改善至 98.3dBFS (如圖 8 給出的 PScope 截屏所示)。測(cè)得的 SNR 此時(shí)與基線 SNR 測(cè)量值相同。

圖 7：TTE 帶通濾波器極大地降低了抖動(dòng)

圖 8：TTE 帶通濾波器顯著地改善了 LTC2389-18 的 SNR 指標(biāo)

現(xiàn)在可以很容易的了解在評(píng)估高分辨率 ADC 時(shí)采用低抖動(dòng)時(shí)鐘源的必要性。如果您現(xiàn)有可用的時(shí)鐘源不具備足夠低的抖動(dòng)，那么通過(guò)利用一個(gè)優(yōu)良的帶通濾波器對(duì)時(shí)鐘實(shí)施濾波仍然能夠獲得上佳的 SNR 測(cè)量結(jié)果。