減少高速ADC系統(tǒng)中的數(shù)字反饋

　　內(nèi)部數(shù)字反饋大部分是一種高頻現(xiàn)象。較低的采樣率往往不那么成問題，除非到負(fù)載的距離增大了。如果從負(fù)載返回的反射信號(hào)在不到 1/2 個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)消失，那么它們就不會(huì)產(chǎn)生數(shù)字反饋。

　　新的 ADC 幫助克服數(shù)字反饋

　　當(dāng)數(shù)字輸出回饋耦合至模擬電路部分時(shí)，數(shù)字反饋將出現(xiàn)，從而引起干擾。這種干擾在噪聲層中表現(xiàn)為異常的整形，而在 ADC 輸出頻譜中則表現(xiàn)為寄生噪聲。最糟糕的情況出現(xiàn)在中標(biāo)度處，這采用 CMOS 輸出模式，所有輸出從 1 切換為 0 (2 進(jìn)制補(bǔ)碼格式) 或從 0 切換為 1，從而產(chǎn)生大的地電流，如圖 3 所示。

　　圖 3：ADC 中的數(shù)字反饋

　　跨過這個(gè)中標(biāo)度點(diǎn)的小信號(hào)在所有這些數(shù)字信號(hào)輸出的和中產(chǎn)生一個(gè)不相稱的輸出功率。

　　凌力爾特已經(jīng)推出了 LTC2261 系列超低功率 14 位 /12 位、25Msps 至 150Msps ADC，提供了一種新的和專有的功能，可在甚至良好的布局做法也無效的情況下減少數(shù)字反饋。交替位極性 (ABP) 模式在輸出緩沖器之前使所有奇數(shù)位反相，以當(dāng)工作在中標(biāo)度周圍時(shí)，實(shí)現(xiàn)數(shù)目相等的 1 和 0 的切換，從而有效地消除了引起數(shù)字反饋的大的地平面電流。

　　圖 4：交替位極性模式

　　圖 4 顯示了怎樣利用交替位極性模式改變數(shù)字輸出字。消除地平面電流，以在小的輸入信號(hào)跨過中標(biāo)度時(shí)，減少反饋回 ADC 輸入的能量。當(dāng)這種模式啟動(dòng)時(shí)，所有奇數(shù)位 (D1、D3、D5、D7、D9、D11、D13) 在輸出緩沖器之前都反相，如圖 5 所示。偶數(shù)位 (D0、D2、D4、D6、D8、D10、D12) 不受影響。這種方法可降低電路板地平面中的數(shù)字電流，并降低數(shù)字噪聲，尤其是在模擬輸入信號(hào)非常小的情況下。通過使奇數(shù)位反相，在接收器端對(duì)數(shù)字輸出解碼。利用簡(jiǎn)單的 SPI 連接至 ADC，通過串行設(shè)定啟動(dòng)交替位極性模式。

　　圖 5：對(duì)交替位極性模式數(shù)據(jù)解碼

　　除了交替位極性模式，還提供一個(gè)可選數(shù)據(jù)輸出隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器，以減少來自數(shù)字輸出的干擾。該隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器解除了數(shù)字輸出的相關(guān)性，以減少出現(xiàn)重復(fù)碼的可能性，從而避免重復(fù)碼耦合回 ADC 輸入，在輸出頻譜中引起不想要的音調(diào)。通過在數(shù)字輸出被傳送至芯片之外以前對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)化處理，即可實(shí)現(xiàn)這些無用音調(diào)的隨機(jī)化以減小此類音調(diào)的幅度。

　　數(shù)字輸出通過在 LSB (實(shí)際上是白噪聲) 與所有其他數(shù)據(jù)輸出位之間運(yùn)用一種“異”邏輯運(yùn)算來進(jìn)行“隨機(jī)化”。如欲解碼，則采用逆運(yùn)算;在 LSB 與所有其他位之間應(yīng)用一種“異”運(yùn)算。交替位極性模式與數(shù)字輸出隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器無關(guān) ━━ 這兩種功能可以同時(shí)接通、同時(shí)不接通或任一接通。如示，兩種數(shù)字反饋抑制方法 (交替位極性模式和數(shù)字輸出隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器) 可使無寄生動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 性能改善 10~15dB。

　　圖 6 示出了 LTC2261 對(duì)一個(gè) 70MHz IF、-65dBFS 輸入信號(hào)進(jìn)行采樣并折返至 ADC 的第一奈奎斯特區(qū)域的 FFT 曲線圖。左側(cè)的曲線圖示出了采用交替位極性模式 (數(shù)字輸出隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器被停用) 時(shí)的 ADC 性能。噪聲層中的凸起和輸出頻譜中的寄生噪聲由數(shù)字反饋引起，輸入端上的低電平信號(hào)使數(shù)字反饋有所衰減 (數(shù)字輸出在全“1”和全“0”之間切換)。凸起的數(shù)目對(duì)應(yīng)于 ADC 中流水線級(jí)的數(shù)目。右側(cè)的 FFT 曲線圖示出了同時(shí)采用交替位極性模式和隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器時(shí) SFDR 性能的改善情況。噪聲層現(xiàn)在很平坦，而且最高的寄生噪聲減低了 12dB。

　　圖 6：運(yùn)用交替位極性模式和隨機(jī)函數(shù)發(fā)生器時(shí) LTC2261-14 的 SFDR 性能。

　　Fs=125Msps，AIN= 70MHz、-65dBFS，平均 128k 點(diǎn) FFT

　　與今天市場(chǎng)上提供的同樣采樣率和分辨率的可比較 ADC 相比，LTC2261 系列 ADC 的功耗僅為其 1/3。LTC2261-14 為 14 位 125Msps ADC 僅從 1.8V 模擬電源消耗 127mW 功率，而 14 位 25Msps ADC LTC2256-14 僅消耗 30mW 功率 (參見圖 7 以了解整個(gè)系列的器件)。為了進(jìn)一步節(jié)省功率，還提供了打盹或休眠模式，以使功率降至 0.5mW。

　　圖 7：超低功率 1.8V ADC 系列

　　LTC2261 是一款極端靈活的高速 ADC，具一個(gè) SPI 兼容的接口，以設(shè)定和調(diào)節(jié)若干獨(dú)特的設(shè)置。SPI 端口用于選擇數(shù)字輸出配置 (CMOS、DDR CMOS、DDR LVDS)、從 7 種 LVDS 輸出電流設(shè)定值中進(jìn)行選擇，以根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載或距離決定最佳的功率要求，或啟用任選的 LVDS 輸出終端來幫助消減由接收器上的不良終接所引起的任何反射，從而節(jié)省了外部組件和板級(jí)空間。還可以選擇測(cè)試模式，以允許用戶驗(yàn)證 ADC 和處理器之間的連接。

　　結(jié)論

　　在采樣情況下，良好布局仍然不能提供避免數(shù)字反饋所需的隔離，LTC2261 的內(nèi)置功能可用來幫助抵消引發(fā)這種不良干擾的地電流。LTC2261 提供極高的靈活性和調(diào)節(jié)能力，以改善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。