4 了解時(shí)鐘權(quán)衡因素以及對(duì) ADC 性能的意義

現(xiàn)在進(jìn)入應(yīng)用手冊(cè)的精彩部分。這里，我們將討論嘗試在高速轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)良好性能時(shí)需要考慮的多種權(quán)衡因素。我們從源開始，也就是實(shí)驗(yàn)室中用作采樣時(shí)鐘源的信號(hào)發(fā)生器。該實(shí)驗(yàn)使用了多個(gè)信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器的相位噪聲測(cè)量結(jié)果可以在圖 4-1 中看到。這些相位噪聲測(cè)量值是信號(hào)發(fā)生器直接連接到相位噪聲分析儀得到的。所有信號(hào)發(fā)生器都配置了 25MHz 輸出信號(hào)和 +10dBm 輸出功率。請(qǐng)注意，信號(hào)發(fā)生器可能有特定的升級(jí)或選項(xiàng)來增強(qiáng)現(xiàn)有的默認(rèn)配置。

圖 4-1 25MHz 和 +10dBm 輸出功率級(jí)別下不同信號(hào)源的相位噪聲曲線

所有實(shí)驗(yàn)都使用了 ADC3683 評(píng)估板（即 EVM），其中包含三個(gè)不同的 10MHz 基準(zhǔn)鎖定信號(hào)發(fā)生器：一個(gè)提供時(shí)鐘輸入，另一個(gè)提供模擬輸入，第三個(gè)提供 ADC3683 所需的數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入，如圖 4-2 所示。所有這些進(jìn)入 ADC3683 的輸入均通過帶通濾波器進(jìn)行濾波，以去除信號(hào)發(fā)生器任何其他不必要的噪聲和雜散。用于數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入的信號(hào)發(fā)生器是 R&S SGS100A。對(duì)于模擬輸入，我們使用了截至 2024 年 9 月市場(chǎng)上性能最高的信號(hào)發(fā)生器 R&S SMA100B。除非另有說明，否則這兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器在所有實(shí)驗(yàn)中都保持不變。

圖 4-2 實(shí)驗(yàn)室中的 ADC 測(cè)試測(cè)量設(shè)置

圖 4-3 比較了轉(zhuǎn)換器在不斷提高的模擬輸入頻率下的交流性能或 SNR。在這里，ADC3683 的時(shí)鐘頻率為 25MSPS，使用的信號(hào)發(fā)生器與圖 4-1 中不同。對(duì)于測(cè)試的每個(gè)源，時(shí)鐘在 +10dBm 保持恒定，且模擬輸入頻率從 2MHz 掃描到 30MHz。測(cè)量 SNR 值（以 dBFS 為單位）之前，在每個(gè)頻率點(diǎn)將模擬信號(hào)源信號(hào)發(fā)生器輸出功率級(jí)別調(diào)整為 -1dBFS。為了保持實(shí)驗(yàn)的一致性，模擬輸入源始終使用具有最高性能的信號(hào)源，未曾改變。如圖 4-1（理論）和圖 3-1（實(shí)際）兩個(gè)圖所示，當(dāng)模擬頻率增加時(shí)，SNR 開始滾降并惡化，或者說 SNR 受抖動(dòng)限制。這意味著 ADC 時(shí)鐘源和/或時(shí)鐘信號(hào)鏈的抖動(dòng)或相位噪聲開始主導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的整體性能，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器以噪聲更大的時(shí)鐘源運(yùn)行時(shí) ADC 的 SNR 更差。隨著模擬輸入頻率變高，每個(gè)信號(hào)發(fā)生器的相位噪聲貢獻(xiàn)略有不同，而在頻率較低時(shí)，相位噪聲的影響較小。

圖 4-3 在 25MSPS 和 +10dBm 條件下，以 -1dBFS 模擬輸入信號(hào)運(yùn)行 ADC 時(shí)，不同時(shí)鐘信號(hào)源下 ADC3683 SNR 與 Fin 間的關(guān)系

時(shí)鐘壓擺率是影響 ADC 性能的另一個(gè)關(guān)鍵特性。時(shí)鐘邊沿的壓擺率越快，降低時(shí)鐘抖動(dòng)的幾率就越高。此外，當(dāng)采樣時(shí)鐘邊沿穿過 ADC 采樣閾值時(shí)，較快的壓擺率會(huì)更大限度降低時(shí)鐘邊沿的時(shí)序不確定性。圖 4-4 展示了采樣時(shí)鐘壓擺率對(duì) ADC 性能的影響。如圖所示，當(dāng) 25MSPS 時(shí)鐘源的振幅電平從 +10dBm 降低到 -15dBm 并為模擬輸入頻率（5MHz、實(shí)線和 30MHz、虛線）保持恒定的輸出功率電平時(shí)，SNR 開始隨著時(shí)鐘信號(hào)源變?yōu)?-5dBm 或更小而降低。請(qǐng)注意，每個(gè) ADC 都有獨(dú)特的靈敏度級(jí)別，-5dBm 并不適用于所有 ADC。-5dBm 僅對(duì)此 ADC 測(cè)試用例有效，用于演示時(shí)鐘源上更快的壓擺率如何使 ADC 獲得最佳 SNR。使用時(shí)鐘緩沖器進(jìn)行正弦波-方波轉(zhuǎn)換介紹了使用 TI 的時(shí)鐘緩沖器來提高時(shí)鐘轉(zhuǎn)換率的技術(shù)，轉(zhuǎn)換率對(duì)噪聲的影響更詳細(xì)地介紹了時(shí)鐘轉(zhuǎn)換率對(duì)轉(zhuǎn)換器性能的影響。

圖 4-4 SNR 與采樣時(shí)鐘振幅（壓擺率）間的關(guān)系