理解時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)高速ADC的影響

我們將以凌力爾特(LTC)最新推出的高性能16位、160Msps的ADC LTC2209為例進(jìn)行說(shuō)明。LTC2209具有77.4dB的信噪比(SNR)，100dB 基帶無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。

與當(dāng)今市場(chǎng)上的許多高速ADC一樣，LTC2209也使用采樣-保持(SH)電路，該電路本質(zhì)上是對(duì)ADC輸入的點(diǎn)取(Snapshot)。當(dāng)采樣-保持開關(guān)閉合后，ADC輸入網(wǎng)絡(luò)被連至采樣電容。在開關(guān)打開的那一刻(1/2時(shí)鐘周期后)，采樣電容上的電壓被記錄并保持。

開關(guān)打開時(shí)間上的變異被稱為孔徑不確定性(aperture uncertainty)，或稱為抖動(dòng)，它將產(chǎn)生一個(gè)與抖動(dòng)或輸入信號(hào)斜率成比例的誤差電壓。換句話，輸入頻率越快、幅值越高，則越易受時(shí)鐘源的影響。圖1顯示的是斜率與抖動(dòng)的關(guān)系。

把時(shí)鐘描述為“低抖動(dòng)”已變得幾乎毫無(wú)意義。這是因?yàn)樗鼘?duì)不同的關(guān)注者意味不同。對(duì)可編程邏輯供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，30皮秒、甚至50皮秒都可被認(rèn)為是低抖動(dòng)的；相反的，根據(jù)輸入頻率的不同，高性能ADC需要的時(shí)鐘抖動(dòng)應(yīng)在1皮秒以內(nèi)。

除非在頻譜的最高端將出現(xiàn)滿量程信號(hào)，否則與對(duì)最高頻率成分的簡(jiǎn)單化處理不同，更精確地來(lái)講，采樣后信號(hào)的頻譜功率分布才是決定性因素。舉個(gè)簡(jiǎn)化的例子，從DC到1MHz的均勻頻帶功率在1MHz的等值功率時(shí)比單頻或窄帶的靈敏度低6dB。

在任何情況下，都有各種因素會(huì)造成抖動(dòng)，除ADC本身內(nèi)部的孔徑抖動(dòng)外，還有振蕩器、各種頻率分割器、時(shí)鐘緩沖器和由耦合效應(yīng)引入的任何噪音等其它多種因素。

LTC2209 的內(nèi)部孔徑抖動(dòng)是70fsec(1fsec=10-15秒)。就LTC2209和LTC其它高速16位系列ADC所表現(xiàn)出的性能看，在某些采樣情況下，0.5皮秒的抖動(dòng)(大多振蕩器供應(yīng)商所能提供的最高指標(biāo))就可對(duì)SNR產(chǎn)生明顯影響。決定所需要的抖動(dòng)性能的不是ADC，而是具體采樣情況。

任何在140MHz輸入頻率下具備77dB SNR的ADC都需要相同的抖動(dòng)性能，以便不折不扣地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)上標(biāo)注的SNR。就抖動(dòng)性能來(lái)說(shuō)，決定性因素是輸入頻率而非時(shí)鐘頻率。就LTC2209 來(lái)說(shuō)，帶10皮秒抖動(dòng)的時(shí)鐘將在1MHz輸入頻率僅產(chǎn)生0.7dB的SNR損耗。在140MHz，SNR將被降低至41.1dB。

圖2顯示的是作為采樣輸入頻率函數(shù)的時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)LTC2209的SNR的影響，它包括從完美時(shí)鐘到帶100皮秒抖動(dòng)時(shí)鐘所逐漸增加的一系列時(shí)鐘曲線。在100皮秒，ADC的SNR在輸入僅為200kHz時(shí)就開始惡化。

時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)SNR影響的理論極限是：

其中，fin是輸入頻率、s是以均方根(RMS)秒表示的抖動(dòng)。

與抖動(dòng)相關(guān)的噪聲功率與輸入功率(dBFS)成比例。隨著輸入電平的增高或降低，與抖動(dòng)相關(guān)的噪聲成分也相應(yīng)改變。例如，若我們?cè)?0MHz IF有-1dBFS的輸入信號(hào)并用帶1皮秒抖動(dòng)的時(shí)鐘進(jìn)行采樣，則我們可預(yù)期一個(gè)68dBFS的SNR。在-5dBFS，與抖動(dòng)相關(guān)的噪聲成分將下降 4dB、達(dá)72dBFS。