功耗規(guī)范 - 高速ADC的理解

　　功耗是產(chǎn)品說明書的另一個(gè)常見的差異點(diǎn)。TI 習(xí)慣上在產(chǎn)品說明書的首頁列出典型工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)換器的總功耗。這些狀態(tài)包括在最高采樣速率下的輸入差與低頻或直流的比較，以及在數(shù)字側(cè)每一引腳上施加 10-pF 的負(fù)載。當(dāng)然，TI 也開始分離內(nèi)核功耗(模擬，AVDD)與數(shù)字供電損耗(輸出 DVDD)。這主要是因?yàn)槠渌麖S商幾乎都只標(biāo)注了模擬功耗而不包括接口功耗。一些廠商在產(chǎn)品說明書里列出了接口功耗，但是用戶必須注意一些測(cè)量條件，例如輸入頻率，每個(gè)引腳的輸出負(fù)載以及輸出電壓，這些都會(huì)顯著的影響測(cè)量值。

　　此外，還必須特別注意 ADC 可能有的特有模式。并不只是 TI 的產(chǎn)品說明書存在這種情況，一些廠商的轉(zhuǎn)換器在模式 A 下進(jìn)行功耗測(cè)量并在產(chǎn)品說明書中列出，但是其他動(dòng)態(tài)規(guī)范卻在模式 B 下給出。再例如，對(duì)于那些可承受較寬數(shù)字電源電壓的轉(zhuǎn)換器而言，產(chǎn)品說明書在最高 DVDD 電壓下給出時(shí)序規(guī)范，但卻在最低 DVDD 電壓下給出功耗值。

　　最后，還必須注意轉(zhuǎn)換器對(duì)功率的貢獻(xiàn)。一些轉(zhuǎn)換器可能以丟失內(nèi)部信息為代價(jià)來節(jié)省功率損耗，例如接受差動(dòng)時(shí)鐘(為了實(shí)現(xiàn)更低的噪聲/抖動(dòng))所需要的參考電壓或時(shí)鐘放大器、諸如 PECL 或 LVDS 的小擺幅時(shí)鐘電平，或者截平濾波時(shí)鐘(正弦曲線)。這個(gè)問題將在下文進(jìn)一步闡述。

　　時(shí)鐘信號(hào)

　　為了獲得最佳的 ADC 性能4，時(shí)鐘信號(hào)是最令人擔(dān)心的問題。雖然所有的 ADC 都有一個(gè)時(shí)鐘輸入端，但其中一些要比另一些更容易使用。最關(guān)鍵的問題是時(shí)鐘抖動(dòng)、占空比以及必須的時(shí)鐘電平，當(dāng)用高輸入頻率進(jìn)行采樣時(shí)，能夠大體上獲得較好的性能參數(shù)。

　　為了實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng)，用戶通常使用帶通濾波器過濾時(shí)鐘信號(hào)來達(dá)到該目的。這還將產(chǎn)生 50% 的占空比，接近于許多 ADC 的最佳條件。不過，由于該濾波器的插入損耗時(shí)鐘信號(hào)振幅將受到影響，且時(shí)鐘信號(hào)將變成正弦曲線而不是方波。為了接收高質(zhì)量的時(shí)鐘信號(hào)，TI 和其他一些廠商在 ADC 的輸入端添加了時(shí)鐘放大器。它的作用是將正弦曲線修正成方波并為內(nèi)部電路的時(shí)鐘循環(huán)提供所需的增益。此外，時(shí)鐘放大器還提供了差動(dòng)接口，能夠減小時(shí)鐘信號(hào)線路中噪聲耦合的影響，從而減小抖動(dòng)。當(dāng)然，這是以增加 ADC 的功耗為代價(jià)的。

　　然而，一些 ADC 可能還需要 CMOS 電平的方波時(shí)鐘信號(hào)。這類 ADC 的輸入必須是單端口的，而且能夠抑制外部噪聲源與時(shí)鐘路徑耦合。大部分此類 ADC 是為了對(duì)低輸入頻率(50 MHz 以下)進(jìn)行采樣并且能夠獲得很好的性能。醫(yī)學(xué)超聲波就是此類 ADC 的一種典型應(yīng)用。不過，用戶在更高的輸入頻率(例如通訊應(yīng)用中)下為了獲得高信噪比(大于 60s)，就需要提供外部元件來使時(shí)鐘信號(hào)變成方波，并有效地增大功率與電路板面積。即使有了這些外部元件，用戶仍然必須考慮單端接口，而且最終的設(shè)計(jì)很可能不能獲得 ADC 采用內(nèi)部時(shí)鐘放大器時(shí)所能達(dá)到的最優(yōu)性能。

　　為了提供一致的產(chǎn)品說明書，TI 在相同時(shí)鐘條件下的產(chǎn)品說明書中使用了相同的圖表與性能參數(shù)。對(duì)于具有差動(dòng)輸入時(shí)鐘信號(hào)的器件而言，通常采用正弦曲線，雖然它并不是 ADC 的最佳條件(由于時(shí)鐘邊緣壓擺率的限制)。為了涵蓋轉(zhuǎn)換器所有可能的應(yīng)用情況，TI 開始在產(chǎn)品說明書中引入了 3D 等高線圖表(請(qǐng)參見圖 1)，這就允許用戶可以得到在給定輸入與采樣頻率下的典型性能。我們知道，輸入時(shí)鐘信號(hào)的所有條件在試驗(yàn)時(shí)都是保持不變的，除非改變采樣頻率。這意味著如果使用正弦波時(shí)鐘信號(hào)，減小采樣頻率將會(huì)使時(shí)鐘邊緣變慢，從而加劇實(shí)際的抖動(dòng)。這是每個(gè) ADC 普遍存在的現(xiàn)象，4但是 TI 設(shè)計(jì)的 ADC 能夠盡可能地將抖動(dòng)最小化。雖然這是最壞的情況，而且減小抖動(dòng)的技術(shù)有很多種，但是在實(shí)驗(yàn)中改變時(shí)鐘條件是不公平的;同樣的，如果保持時(shí)鐘條件不變，那么信噪比 SNR 將隨著抖動(dòng)的增加而降低。用戶必須要知道，如果沒有時(shí)鐘放大器，性能的降低可能更多。此外，用戶還必須要清楚如果能夠提供一個(gè)抖動(dòng)很小的方波時(shí)鐘信號(hào)，那么 ADC 的性能就會(huì)有很大的提高。

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　　圖 1 SNR 與輸入和采樣頻率5的曲線關(guān)系

　　輸出時(shí)序

　　為了捕捉傳輸?shù)?FPGA、ASIC、DDC 或其他跟隨 ADC 的邏輯器件的輸出數(shù)據(jù)，用戶必須要知道輸出數(shù)據(jù)的窗口是穩(wěn)定的。不過，重點(diǎn)是大多數(shù)廠商均致力于提供一致且完善的產(chǎn)品說明書限制。這是因?yàn)橛糜谏a(chǎn)的最終測(cè)試結(jié)果受一些因素的影響，例如自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的精度、不能直接訪問輸出端(數(shù)據(jù)正在緩沖中)、很難像產(chǎn)品說明書一樣設(shè)置相同的條件(例如數(shù)字負(fù)載)等等。為了克服這些局限性，TI 通過設(shè)計(jì)與特征化(即用統(tǒng)計(jì)方法來設(shè)置這些參數(shù))，當(dāng)生產(chǎn)中不對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí)，這能促使我們?cè)O(shè)置更寬的防護(hù)頻帶。而如果將相同的限制條件用于其他廠商的話，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致不完善或不精確的產(chǎn)品說明書。

　　設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)沒有任何質(zhì)保書的器件、有質(zhì)保書但是條件不切實(shí)際的器件(例如 0-pF 負(fù)載)、沒有明確用于捕獲數(shù)據(jù)所需的參數(shù)的器件(例如，給出了建立時(shí)間但沒有給出保持時(shí)間)、沒有說明規(guī)范所使用的 VOH 和 VOL電平的器件(例如，給出從 50% 到 50% 的信息，但是要推導(dǎo)出 VIH/VIL 邏輯電平卻很麻煩)、或者沒有說明對(duì)整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)詳細(xì)參數(shù)的器件進(jìn)行明確的詢問。

　　此外，為了改進(jìn)數(shù)據(jù)捕獲窗口，TI 與其他廠商均提供了一款輸出時(shí)鐘，與輸入時(shí)鐘相比該時(shí)鐘能夠更好地跟蹤輸出數(shù)據(jù)。使用輸出時(shí)鐘可以減小應(yīng)用中的時(shí)序局限。

　　最后，請(qǐng)注意，建立與保持時(shí)間的定義和門電路建立與保持時(shí)間的對(duì)應(yīng)部分相同。在門電路中，建立時(shí)間表示數(shù)據(jù)在門電路輸入端準(zhǔn)備好的時(shí)間比時(shí)鐘邊緣閉鎖它的時(shí)間提前了多少。時(shí)間提前得越多，使用該閉鎖門電路就越困難。在 ADC 中，建立時(shí)間表示數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間比輸入或輸出 ADC時(shí)鐘邊緣提前了多少。建立時(shí)間越長，捕獲數(shù)據(jù)就越容易。這些規(guī)則在保持時(shí)間上也同樣適用。

　　過程增益

　　與 SNR 的兩個(gè)參數(shù)相比較，用戶必須考慮到 ADC 的采樣速率。信噪比可通過對(duì)收斂于奈奎斯特曲線的總體噪聲底限進(jìn)行積分得到。當(dāng)然，用戶的信號(hào)只會(huì)占據(jù)一些帶寬;只有在這個(gè)帶寬上的噪聲才會(huì)影響到信號(hào)，而其他噪聲可由數(shù)字濾波器濾除。對(duì)于相同的 SNR 而言，采樣速率高的 ADC 噪聲底限比較低。例如，一個(gè) 200kHz 帶寬，信噪比為 90-dBFS 的 ?∑ 型 ADC 的性能在理論上比產(chǎn)品說明書中規(guī)定的信噪比為 75-dBFS、100 MSPS 的 14 位 ADC——ADS5424 要好。當(dāng)然，如果在使用 ADS5424 對(duì) 200-kHz 帶寬進(jìn)行采樣之后(明顯超過 100 MSPS 的采樣率)，我們采用數(shù)字濾波來濾除帶寬外的噪聲(從 200 kHz 直到 50 MHz)，ADS5424 的等效信噪比在這一帶寬上為：

　　SNR200 kHz = 75 + 10×log10(50×106/200×103) = 99 dBFS >> 90 dBFS。

　　ADS5424 的信噪比將明顯優(yōu)于 ?∑ 型 ADC(為了示例，假設(shè)噪聲在奈奎斯特曲線上均勻分布，也就是說沒有明顯的閃爍噪聲影響)。前述方程式的第二項(xiàng)稱為過程增益。隨著過采樣比的增加，用戶在相同信噪比每增加采樣率一倍，噪聲底限就會(huì)降低 3 dB。換言之，相關(guān)頻帶上的等效精度將增加 0.5 比特。

　　數(shù)據(jù)適用的條件與最小值

　　如果沒有明確的條件，那么規(guī)范將是沒有意義的。在廣告業(yè)、市場(chǎng)營銷材料以及選擇參數(shù)表中這一點(diǎn)尤其重要，條件能夠簡(jiǎn)化產(chǎn)品說明書顯示的信息，但在某些情況下，并沒有提到測(cè)量條件。

　　同時(shí)，典型值通常代表了分布的平均值。不過，用戶應(yīng)注意看一下最小值，特別是當(dāng)器件在某一特定范圍內(nèi)工作(例如多變的溫度環(huán)境)時(shí)。在典型與最小參數(shù)之間的大范圍變化會(huì)出現(xiàn)一些問題。變化是否由最終測(cè)試結(jié)果的局限性引起?如果是，則該器件可能適用，但是這樣做的風(fēng)險(xiǎn)是只能保證最小值。最差的情況是器件本身所導(dǎo)致的局限性，工藝的變化(不同器件之間)可以導(dǎo)致設(shè)計(jì)的不耐用性。為了使器件具有較好的穩(wěn)健性并屏蔽此類問題的一個(gè)不錯(cuò)的做法是查看產(chǎn)品說明書中的典型性能變化與電源電壓或溫度的關(guān)系曲線圖，如圖 2 中的示例所示。

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　　圖 2 ADS5424 SFDR 與模擬電源和溫度范圍的關(guān)系曲線6

　　與功率參數(shù)一樣，在相同的產(chǎn)品說明書中查找不同的參數(shù)(例如 SNR 和 SFDR)時(shí)，必須確保它們是在相同條件下給出的參數(shù)。例如，某些器件的 SFDR 模式以犧牲 SNR 為代價(jià)來改善 SFDR;或者它們有不同的輸入范圍，這會(huì)影響到 SFDR(在較小輸入范圍內(nèi)較好)和 SNR(在較大輸入范圍內(nèi)較好)。

　　最后，需注意的是，大多數(shù)規(guī)范在是在接近滿量程范圍內(nèi)給出的。然而，SFDR(在 dBFS 規(guī)范中)在輸入振幅減小時(shí)可能變好也可能變得更糟糕。廠商在最終測(cè)試中不能屏蔽很多條件，因?yàn)槟菢訒?huì)增加測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成本;但他們通常會(huì)給出說明各種條件影響的典型圖表。

　　輸入帶寬

　　通常，輸入帶寬代表了 ADC 響應(yīng)平坦度與輸入頻率的關(guān)系。其并沒有表明該器件在這些輸入頻率下能夠保持應(yīng)有的性能。用戶必須從圖表中核實(shí)相關(guān)性能;如果圖表中沒有，用戶必須從廠商那里尋求支持或者對(duì)器件本身進(jìn)行評(píng)估。

　　結(jié)論

　　本文詳細(xì)說明了廠商用于編寫高速 ADC 產(chǎn)品說明書的規(guī)范之間的主要差異，提早考慮這些差異有助于設(shè)計(jì)人員避免在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)突發(fā)問題。