评估高性能 ADC 需要一个低抖动时钟

“在依然能够获得良好 SNR 结果的情况下,最差情度的ADC 时钟可怎样呢?” 虽然从来没有客户直接向我提及这一问题,不过我的确定期地被问到有关采用不适合高分辨率 ADC的时钟源之问题。通常,它需要一个可具有高达 1nsRMS 抖动的函数发生器。常常需要采用一个高质量的 RF 发生器或晶体振荡器以 1618 位ADC获得最佳的 SNR 值,即使在相对较低的输入频率下也不例外。我将使用安装了LTC2389-18 2.5Msps 18 位 ADC 和 LTC PScope 软件的 DC1826A-A 演示板,来说明抖动对于 SNR 性能的影响以及怎样降低一个噪声时钟源的抖动。

作为基线,DC1826A-A 的时钟输入采用一个罗德与施瓦茨 SMB100A RF 发生器来驱动,并由 Stanford Research SR1 提供模拟输入。结果是图 1 中的 PScope 数据,其产生一个98.247dBFS SNR。该 SNR 是通过将低于全标度的输入电平 (-1.047dBFS) 加至已测 SNR 获得的。ADC 之 CNV 输入端上的18.8psRMS 抖动可采用一台 Agilent Infiniium 9000 系列示波器或同等档次的示波器进行测量。基于抖动和输入频率的 SNR 理论极限值为20*log (2 * π * fIN * tjitter) ,其中的 tjitter 为 RMS 抖动,fIN 为输入频率。代入针对该例的数值得出的 SNR 为 20 * log (2 * π * 20kHz * 18.8ps) = 112.5dB。随后必须将该值与 ADC SNR 进行 RMS 求和运算以产生一个有效 SNR。查看 LTC2389 的产品手册,在 2kHz 频率下用于演示板电路 (图 7a 和 7b) 的典型 SNR 为 98.8dB。产品手册中给出的 “SNR 与输入频率的关系曲线” 显示:在本实验所采用的 20kHz 输入频率下,SNR 产生大约 0.3dB 的滚降,因此 98.8dB 的数字将调节至 98.5dB。98.5dB 与 112.5dB 的 RMS 之和为 98.3dB,这近似于图 1 中获得的结果。

F1. Baseline FFT

图 1:基线 FFT 显示:对于 LTC2389-18,SNR 为 98.247dBFS

RMS Jitter F2

图 2:DC1826A-A 之 CNV 输入端上的 RMS 抖动 (采用 SMB100A 时钟源)

既然已经获得了一个基线 SNR 测量结果,那么假如使用一个具较高抖动的时钟源会发生什么呢? 如图 3 所示,当采用 XXXX-YYYYY (制造商及型号隐去) 发生器时,测得的抖动为76.5psRMS。在该抖动水平下的SNR 理论极限值为 100.3dB,当其与 LTC2389-18 的 98.5dB 进行 RMS 求和运算时,得出的结果为 96.3dB。图 4 的 PScope 截屏中示出的96.2dBFS 测量 SNR 基本吻合。在相对较低的 20kHz 输入频率下,SNR 指标降低了 2dB,且附加的时钟抖动小于 60ps。在 100kHz 输入频率下,SNR 将降至 86dB。

Noisy Clock Source

图 3:噪声时钟源在DC1826A-A 的 CNV 输入端上产生76.5psRMS 抖动

 

Reduced SNR

 

图 4:采用噪声时钟源时 LTC2389-18 的 SNR 指标降低至96.2dBFS

噪声时钟源 (例如:刚刚检查的时钟源) 上的抖动可以减低吗? 采用先前的时钟源,在时钟的输出和演示板的时钟输入之间插入一个 TTE 低通滤波器1。测得的时钟抖动减小至54.7psRMS (如图 5 所示),而最终的 SNR 则改善至96.8dBFS (如图 6 给出的 PScope 截屏所示)。虽然取得了小幅改善,但其仍然不如基线 SNR 测量结果那么好。接着,插入一个 TTE 带通滤波器2以替代低通滤波器。现在,测得的时钟抖动为 16.7psRMS (如图 7 所示),而 SNR 的测量结果则显著地改善至 98.3dBFS (如图8 给出的 PScope 截屏所示)。测得的 SNR 此时与基线 SNR 测量值相同。

 

Lowpass Filter

 

图 5:噪声时钟源的低通滤波降低了 CNV 输入端上的抖动

 
Lowpass Filter Improves SNR
Lowpass Filter Improves SNR

图 6:噪声时钟源的低通滤波轻微改善了 SNR

TTE Bandpass

图 7:TTE 带通滤波器极大地降低了抖动

TTE Bandpass Improves SNR

图 8:TTE 带通滤波器显著地改善了 LTC2389-18 的 SNR 指标

现在可以很容易的了解在评估高分辨率 ADC 时采用低抖动时钟源的必要性。如果您现有可用的时钟源不具备足够低的抖动,那么通过利用一个优良的带通滤波器对时钟实施滤波仍然能够获得上佳的 SNR 测量结果。

1TTE LE1182T-2.5M-50-720B 低通滤波器

2TTE Q70T-2.5M-50-720B 带通滤波器

作者

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Guy Hoover

Guy Hoover是一名拥有超过30年凌力尔特公司工作经验的工程师,曾担任技术员、IC设计工程师和应用工程师。

T他的职业生涯始于LTC,当时的职位是技术员,并向参与多个产品工作的Bob Dobkin、Bob Widlar、Carl Nelson和Tom Redfern学习,涉及产品包括运算放大器、比较器、开关稳压器和ADC。在此期间,他还花了大量时间来编写测试程序以对这些器件的特性进行表征。

他在LTC的下一段职业生涯是学习PSpice和设计SAR ADC。由Guy设计的产品包括LTC1197系列10位ADC和LTC1864系列12位和16位ADC。

Guy目前是混合信号部的应用工程师,专门从事SAR ADC应用支持工作。这包括为SAR ADC演示板设计、编写Verilog代码和测试程序,帮助客户优化包含LTC SAR ADC的产品,并希望编写有用的应用文章,将有关使用这些器件的知识传递给客户。

Guy毕业于德锐技术学院(现为德锐大学),拥有电子工程技术硕士学位。