精確地測(cè)量快速上升/下降的ADC采樣時(shí)鐘

關(guān)鍵字：ADC 采樣時(shí)鐘

在許多應(yīng)用中，均要求具備探測(cè)高速信號(hào)的能力，從而對(duì)你的示波器以及探頭組合提出了帶寬要求。測(cè)量精密ADC的采樣時(shí)鐘就是其中一個(gè)應(yīng)用，在此，對(duì)示波器以及示波器探頭組合的要求就是至關(guān)重要的。ADC時(shí)鐘的信號(hào)完整性可能限制性能，正如下列著名方程所給出的那樣：

在該方程中，f是被采樣的模擬頻率，tj是時(shí)鐘源上的RMS抖動(dòng)(這證明SNR(信噪比)將隨著時(shí)鐘源上抖動(dòng)的增加而惡化)。這個(gè)方程直接適用于采樣耐奎斯特型轉(zhuǎn)換器，Δ-∑ ADC—如ISL260001—受益于過(guò)采樣，且抖動(dòng)要求因過(guò)采樣率(OSR)而稍微下降。

這通常意味著需要具有比較快速的邊沿以及良好的信號(hào)完整性的采樣時(shí)鐘，以獲得最大的ADC性能。在常規(guī)的ADC工作模式中，一個(gè)要求就是采樣時(shí)鐘為50MHz。

現(xiàn)代邏輯可以方便地提供1ns的時(shí)鐘邊沿，滿足ADC時(shí)鐘應(yīng)用的推薦，但是，對(duì)你的測(cè)量設(shè)置提出了高帶寬要求。上升時(shí)間為0.7ns的時(shí)鐘具有500MHz的信號(hào)帶寬，采用一階近似，就得到BW=0.35/上升時(shí)間。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，你的測(cè)量帶寬應(yīng)該大于3倍的信號(hào)帶寬，因此，對(duì)測(cè)量帶寬的要求是>1.5GHz。

下面顯示了利用1GHz帶寬的示波器以及500MHz帶寬示波器探頭對(duì)50MHz采樣時(shí)鐘進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。1GHz示波器來(lái)自具有500MHz探頭的制造商，它推薦采用(可選)較高帶寬有源探頭進(jìn)行較高頻率的測(cè)量。圖1顯示了利用所提供的10倍、500MHz示波器探頭測(cè)量ADC采樣時(shí)鐘的屏幕抓圖。

圖1：利用500MHz探頭測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)的屏幕抓圖(點(diǎn)擊圖像放大)。

該屏幕還顯示了對(duì)測(cè)得的1.4ns上升時(shí)間的10%-90%的計(jì)算值。因?yàn)樵跁r(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器上探頭存在加載效應(yīng)，且存在示波器和探頭帶寬的限制，這個(gè)測(cè)量值具有固有的不確定性。10 MΩ/8pF探頭在50MHz大約等效于300 Ω；這個(gè)負(fù)載被放置在你正在探測(cè)的DUT兩端。

在作出任何高速測(cè)量的過(guò)程中，一個(gè)重要考慮就是探頭的地回路；在測(cè)量中所采用的地回路如圖1所示，近似為1英寸。采用標(biāo)準(zhǔn)的6英寸地回路，導(dǎo)致在回路路徑中的感抗過(guò)大，從而導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。在這種情形下，測(cè)量是沒(méi)有意義的。

減小跨越你的測(cè)試點(diǎn)兩端探頭電容效應(yīng)的途徑之一，就是采用如參考文獻(xiàn)1所描述的阻性、傳輸線型探頭。該探頭的加載電容被減少為1-2pF。探頭帶寬限制被極大地減少了，容許你實(shí)現(xiàn)示波器的整個(gè)帶寬。在你的電路上的容性加載也被極大地減少了，從而讓你在比較接近實(shí)際應(yīng)用的情形下對(duì)ADC進(jìn)行測(cè)量。該探頭在50 Ω同軸電纜的末端焊接了一個(gè)1 kΩ軸向電阻。如圖2所示為它的等效電路。

圖2：電阻性探頭的等效電路(點(diǎn)擊放大圖像)。

1 kΩ電阻將把直流負(fù)載呈現(xiàn)給DUT；這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)應(yīng)該不是問(wèn)題，但是，應(yīng)予以考慮。示波器輸入端接應(yīng)該設(shè)置為50 Ωm，從而導(dǎo)致大約20:1的衰減。

低成本構(gòu)建這種探頭的方式如圖3所示。探頭適配器是一個(gè)具有SMA插座對(duì)插座的適配器，其中，在一端焊接了軸向引線的電阻。如圖所示，短的地引線也被焊接上了。地引線應(yīng)該盡可能短，以最小化回路的電感。

圖3：電阻/適配器組合(點(diǎn)擊放大圖像)。

這種適配器可以被附接到標(biāo)準(zhǔn)的SMA/BNC電纜組件上(例如RG-316)。該適配器可以根據(jù)需要拆除和安裝。圖4所示為適配器與電纜的照片。這種適配器的總成本為小于20美元。

圖4：電纜和適配器的照片

這種適配器/同軸電纜組合在此被用于測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)，如圖5所示。

圖5：利用阻性探頭測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)的屏幕抓圖。

20倍的衰減—可被視為波形幅度—被顯示為165mV(3.3V/20)。950 Ω的電阻會(huì)導(dǎo)致接近20:1的衰減因子。然而，上升/下降時(shí)間顯示為比采用500MHz探頭看到的結(jié)果更陡峭。上升時(shí)間—更早時(shí)為1.4ns—在此為688ps。這個(gè)測(cè)量值非常接近時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器指標(biāo)的期望值。

對(duì)于高頻應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可以采用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的有源探頭，盡管上述方法并不是為了替代這些有源探頭，但是，這種適配器能夠幫助顯示由一個(gè)10倍探頭才能捕獲的上升時(shí)間，并有助于你避免造成測(cè)量誤差。本文用很短的篇幅說(shuō)明當(dāng)進(jìn)行高頻測(cè)量時(shí)要注意的事項(xiàng)，并提供了在實(shí)驗(yàn)室中有所幫助的、簡(jiǎn)單、低成本的解決方案。

參考文獻(xiàn)

1. H. Johnson, M. Graham, High Speed Digital Design, Prentice Hall, 1993, p.99

關(guān)于作者

Gary Hendrickson是Intersil公司混合信號(hào)與產(chǎn)品組的專(zhuān)職應(yīng)用工程師，其研究重點(diǎn)是新型模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的開(kāi)發(fā)。他擁有意大利Rutgers大學(xué)的電子工程學(xué)士學(xué)位以及Syracuse大學(xué)的碩士學(xué)位。