理解時鐘抖動對高速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為例進行說明。LTC2209具有77.4dB的信噪比(SNR)，100dB 基帶無寄生動態(tài)范圍(SFDR)。

與當今市場上的許多高速ADC一樣，LTC2209也使用采樣-保持(SH)電路，該電路本質(zhì)上是對ADC輸入的點取(Snapshot)。當采樣-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時鐘周期后)，采樣電容上的電壓被記錄并保持。

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

把時鐘描述為“低抖動”已變得幾乎毫無意義。這是因為它對不同的關(guān)注者意味不同。對可編程邏輯供應(yīng)商來說，30皮秒、甚至50皮秒都可被認為是低抖動的；相反的，根據(jù)輸入頻率的不同，高性能ADC需要的時鐘抖動應(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，否則與對最高頻率成分的簡單化處理不同，更精確地來講，采樣后信號的頻譜功率分布才是決定性因素。舉個簡化的例子，從DC到1MHz的均勻頻帶功率在1MHz的等值功率時比單頻或窄帶的靈敏度低6dB。

在任何情況下，都有各種因素會造成抖動，除ADC本身內(nèi)部的孔徑抖動外，還有振蕩器、各種頻率分割器、時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(大多振蕩器供應(yīng)商所能提供的最高指標)就可對SNR產(chǎn)生明顯影響。決定所需要的抖動性能的不是ADC，而是具體采樣情況。

任何在140MHz輸入頻率下具備77dB SNR的ADC都需要相同的抖動性能，以便不折不扣地實現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊上標注的SNR。就抖動性能來說，決定性因素是輸入頻率而非時鐘頻率。就LTC2209 來說，帶10皮秒抖動的時鐘將在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)的時鐘抖動對LTC2209的SNR的影響，它包括從完美時鐘到帶100皮秒抖動時鐘所逐漸增加的一系列時鐘曲線。在100皮秒，ADC的SNR在輸入僅為200kHz時就開始惡化。

時鐘抖動對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。

與抖動相關(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，與抖動相關(guān)的噪聲成分也相應(yīng)改變。例如，若我們在70MHz IF有-1dBFS的輸入信號并用帶1皮秒抖動的時鐘進行采樣，則我們可預(yù)期一個68dBFS的SNR。在-5dBFS，與抖動相關(guān)的噪聲成分將下降 4dB、達72dBFS。