高速信號、時(shí)鐘及數據捕捉(05-100)

　　隨著(zhù)模/數轉換器的數據轉換取樣率提高至每秒千兆個(gè)取樣 (GSPS) 以上的水平，數據轉換系統必須作出相應的配合，才可支持這樣高的轉換率，而其他支持性的模擬元件也必須產(chǎn)生系統所需的高頻信號，然后將之放大。系統設計工程師除了要對模擬信號路徑有深入的了解之外，也要徹底認識取樣時(shí)鐘以及系統如何以高位速率捕捉數字信號。本文 將會(huì )就有關(guān)上述兩個(gè)重要的問(wèn)題提供多個(gè)不同的解決方案。以下所討論的資料有助深入了解采用高性能模/數轉換器的系統。

　　時(shí)鐘電路

　　時(shí)鐘電路是高速數據轉換系統最重要的子電路之一，因為時(shí)鐘信號能否準確定時(shí)會(huì )直接影響模/數轉換器的動(dòng)態(tài)性能。為了減低其影響，模/數轉換器時(shí)鐘電路的定時(shí)抖動(dòng)或相位噪聲必須極低。若選擇時(shí)鐘電路時(shí)沒(méi)有將這個(gè)因素加以考量，那么即使所采用的前端模擬輸入電路或模/數轉換器性能非常卓越，系統性能也可能會(huì )不如想象中理想。完美的時(shí)鐘永遠可以在精確的時(shí)間內提供跳變沿。但實(shí)際上，時(shí)鐘沿會(huì )不斷出現在不同時(shí)間內，正因為時(shí)間的不確定性，取樣后波形的信噪比受到數據轉換過(guò)程的影響。

 

　　圖 1 時(shí)鐘信號頻譜分析示例

　　只要因為抖動(dòng)產(chǎn)生的噪聲不超過(guò)量化噪聲(1/2 LSB )， 最大的時(shí)鐘抖動(dòng)能適應任何抖動(dòng)源，其數值可以用下式計算出來(lái)：

　　Tj(rms) = (VIN(P-P) / VINFSR) x (1/(2(N+1) x x fin))

　　若輸入電壓 (VIN) 范圍能夠完全吻合模/數轉換器的滿(mǎn)幅值范圍，抖動(dòng)便會(huì )成為影響模/數轉換器分辨度 (N 位) 及輸入頻率(fin) 的因素。

　　若輸入頻率不超過(guò)奈奎斯特率 (亦即若轉換率為 1GSPS，輸入頻率為 500MHz)，總抖動(dòng)要求的公算公式如下：

　　Tj(rms) = 1 x (1/(2(8+1) x x 500 x 106))

　　Tj(rms) = 1.2ps

　　這個(gè)數值代表不同抖動(dòng)源的抖動(dòng)總和。來(lái)自模/數轉換器芯片本身的抖動(dòng)稱(chēng)為孔徑抖動(dòng)。它與芯片的輸入取樣及保持電路定時(shí)上的不確定性有密切的關(guān)系。若要確定時(shí)鐘電路可承受的最高時(shí)鐘抖動(dòng)，這個(gè)不確定因素必須一并加以考量。

　　時(shí)鐘電路抖動(dòng) = SQRT (Tj(rms)2 - (模/數轉換器孔徑抖動(dòng))2 )

　　以 ADC08D1000 芯片為例，數據表上列出的孔徑抖動(dòng)為 0.4ps，這個(gè)數值將模/數轉換器時(shí)鐘對抖動(dòng)的要求限制到約為 1.1ps。

　　但是，簡(jiǎn)單的讓振蕩器的性能參數符合要求并不能保證整個(gè)系統能達到預期的效果。因為與基本頻率并存的其他頻率也發(fā)揮極為重要的作用，所以我們必須利用頻譜分析儀檢視時(shí)鐘信號，并確?；绢l率能量不會(huì )在頻譜范圍內過(guò)寬。擴散至較高頻率范圍內的雜散信號不但可以在分析儀上清楚看到，而且還會(huì )直接影響抖動(dòng)。圖 1 將非理想時(shí)鐘信號的頻譜與低噪音、低抖動(dòng)時(shí)鐘信號的頻譜加以比較。