[讨论] 找了篇讲A/D噪声性能方面的资料，大家看下(2)

使用噪声抖动提高ADC的无杂散动态范围
无杂散动态范围(SFDR)是RMS信号幅度与最大杂散频谱分量RMS值的比率。在高速ADC中,使SFDR达到最大的两个基本限制是前端放大器和采样保持电路产生的失真,以及由于ADC编码器部分的传递函数的非线性产生的失真。获得高SFDR的关键是将这两个非线性误差减至最小。
虽然从ADC外部没有办法显著减少由其前端引起的固有失真,但是通过适当地使用抖动(有意施加到模拟输入信号的外部噪声),可减小ADC的编码器传递函数中的DNL误差。
在某些条件下,可利用抖动来提高ADC的SFDR。例如,甚至在理想的ADC当中,在量化噪声和输入信号之间也存在相关性。这种相关性会降低ADC的SFDR,尤其是当采样频率是输入信号频率的整数倍时。大约1/2 LSB RMS宽带噪声和输入信号相加以便随机化量化噪声,并且将这种相关性影响减至最小(见图4(a))。但是,在大多数系统中,噪声已经叠加在信号之上(包括ADC的折合到输入端的噪声),所以不需要另外的抖动噪声。如果增加宽带RMS噪声超过约一个LSB,那么会按比例减少SNR并且无须其他的改进方法。

图4 使用抖动随机化ADC传递函数
另外一种已经开发的噪声抖动方法是使用较大量的抖动噪声以随机化ADC的传递函数。图4(b)示出一个包含伪随机数发生器驱动一个DAC的抖动噪声源。首先从ADC输入信号中减去这个抖动噪声,然后经过数字化添加到ADC输出端,因此使SNR无明显降低。但是,这种方法有一个固有的缺点,就是当抖动信号幅度增加时必须减小ADC输入信号的摆幅以防止过驱动ADC。应当注意的是,尽管这种方案改善了由ADC编码器非线性产生的失真,但它不能显著改善由其前端产生的失真。
另一种比较容易实现的方法,尤其是在宽带接收器中,是在有用信号带宽之外注入一个窄带抖动信号,如图5所示。通常,因为没有信号分量处于直流附近的频率范围,所以常常在这个低频区域注入一个抖动信号。注入抖动信号的另一个可能的区域是稍小于fS/2的区域。因为抖动信号相对于有用信号带宽(通常几十万赫兹带宽就足够了)仅占用很小一部分,所以没有明显降低SNR,如果抖动是宽带信号则会显著降低SNR。

图5 注入带外抖动以提高ADC的SFDR

分级式或流水线式ADC,例如14位、105MSPS的AD6645(见图6),在ADC范围内特定编码跃迁点处具有非常小的DNL误差。AD6645包括一个5位ADC(ADC1),以及随后的5位ADC(ADC2)和6位ADC(ADC3)。仅在ADC1跃迁点处会出现很大的DNL误差,在ADC2和ADC3跃迁点处出现的DNL误差都很小。与ADC1相关的有25=32个跃迁点,对于2.2V满度输入范围,每68.75mV(29=512LSB)发生一次跃迁。

图6 14位ADC AD6645的简化框图
图7示出这些非线性误差放大的示意图。

图7 AD6645分级变迁点的DNL误差
对于大约为200MHz的模拟输入,与编码器产生的失真相比,AD6645前端产生的失真分量可以忽略。也就是说,AD6645传递函数的静态非线性误差是SFDR的主要限制。
设计目标是在ADC输入范围内选择适当范围的带外抖动以便随机化这些小DNL误差,从而减少平均的DNL误差。实验上采用的方法是,使P-P抖动噪声覆盖约两个ADC1跃迁区域对DNL有最大改善。对于较高幅度的噪声,DNL没有显著的改善。两个ADC1跃迁区域覆盖1024 LSB P-P,或大约155(=1024/6.6)LSB RMS。
图8中第一张曲线图示出输入信号范围中的一小段内的无抖动DNL误差,包括两个分级点,它们相距68.75mV(512LSB)。第二张曲线图示出加入155LSB RMS抖动(随后经过滤波输出)后的DNL误差。这个抖动幅度大约    -20.6dBm。应当注意对DNL误差的显著改善。

图8 AD6645 DNL误差曲线图
可用许多方法产生抖动噪声。例如,可使用噪声二极管,但是对一只宽带双极型运算放大器的输入电压噪声进行简单地放大,可提供一种比较经济的解决方案,但在这里不做讨论。
图9示出使用带外抖动获得SFDR的显著提高,使用了深度(1 048 576点)FFT分析,这里AD6645以80MSPS采样速率对-35 dBm、30.5MHz信号进行采样。注意,没有抖动的SFDR大约为92dBFS,与有抖动时的108dBFS相比,整整提高了16dB。

图9 FFT曲线图示出AD6645的SFDR
这些ADC具有非常高的SFDR(对于70MHz满度输入信号,典型值大于90dBc)和低DNL。在一定输入信号条件下,加入适当的带外抖动信号还可以提高SFDR。
图10示出了AD9444的FFT曲线图,包括有抖动和无抖动两种情况,对1 048 576点FFT进行5次平均,fS=80MSPS,fIN=30.5MHz,信号幅度=-40dBFS。可以看到,在给定的输入条件下,加入的抖动将SFDR提高了25dB。上述数据是使用ADIsimADC程序和AD9444模型获得的。

图10 AD9444的FFT曲线图
尽管图9和图10示出的结果相当明显,但不应认为在所有条件下加入带外噪声抖动总是会提高ADC的SFDR。注意,这种加抖动方法不会改善ADC前端电路的线性误差。甚至对于一个接近理想的前端,抖动的影响也高度依赖于输入信号的幅度和抖动信号本身的幅度。例如,当信号接近ADC的满度输入范围时,传递函数的INL可能会成为决定SFDR的限制因素,并且加抖动也不会有帮助。在任何情况下,用户都应当仔细研究产品技术资料,在有些情况下可能会给出有抖动和无抖动数据,以及对于幅度和带宽的建议。抖动可能成为新的中频(IF)采样ADC的一个内置功能。
结论
在本文的讨论中,考虑了对所有ADC都共同的折合到输入端的噪声。在精密、低频测量应用中,通过采用降低采样速率和额外的硬件方法对ADC输出数据进行数字平均,可以减小这种噪声的影响。虽然通过这种平均方法实际上可提高ADC的分辨率,但不会减小INL。只是小的折合到输入端的噪声才需要用平均方法提高分辨率;但是对于大的噪声要求大量采样进行平均,以便减小噪声。
在一些高速ADC应用中,加入适当范围的带外噪声抖动可以减小ADC的DNL误差并且提高其SFDR。但是,采用抖动噪声方法对提高SFDR的效果高度依赖于选用ADC的特性。
参考文献

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