時(shí)域時(shí)鐘抖動(dòng)分析（一）

新型的高速 ADC 都具備高模擬輸入帶寬（約為最大采樣頻率的 3 到 6 倍），因此它們可以用于許多欠采樣應(yīng)用中。ADC 設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展極大地?cái)U(kuò)展了可用輸入范圍，這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員便可以去掉至少一個(gè)中間頻率級(jí)，從而降低成本和功耗。在欠采樣接收機(jī)設(shè)計(jì)中必須要特別注意采樣時(shí)鐘，因?yàn)樵谝恍└咻斎腩l率下時(shí)鐘抖動(dòng)會(huì)成為限制信噪比 (SNR) 的主要原因。

本系列文章共有三部分，“第 1 部分”重點(diǎn)介紹如何準(zhǔn)確地估算某個(gè)時(shí)鐘源的抖動(dòng)，以及如何將其與 ADC 的孔徑抖動(dòng)組合。在“第 2 部分”中，該組合抖動(dòng)將用于計(jì)算 ADC 的 SRN，然后將其與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比。“第 3 部分”將介紹如何通過(guò)改善 ADC 的孔徑抖動(dòng)來(lái)進(jìn)一步增加 ADC 的 SNR，并會(huì)重點(diǎn)介紹時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換速率的優(yōu)化。

采樣過(guò)程回顧

根據(jù) Nyquist-Shannon 采樣定理，如果以至少兩倍于其最大頻率的速率來(lái)對(duì)原始輸入信號(hào)采樣，則其可以得到完全重建。假設(shè)以 100 MSPS 的速率對(duì)高達(dá) 10MHz 的輸入信號(hào)采樣，則不管該信號(hào)是位于 1 到 10MHz 的基帶（首個(gè)Nyquist 區(qū)域），還是在 100 到 110MHz 的更高 Nyquist 區(qū)域內(nèi)欠采樣，都沒(méi)關(guān)系（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1）。在更高（第二個(gè)、第三個(gè)等）Nyquist 區(qū)域中采樣，一般被稱作欠采樣或次采樣。然而，在 ADC 前面要求使用抗混疊過(guò)濾，以對(duì)理想 Nyquist 區(qū)域采樣，同時(shí)避免重建原始信號(hào)過(guò)程中產(chǎn)生干擾。

圖 1 100MSPS 采樣的兩個(gè)輸入信號(hào)顯示了混疊帶來(lái)的相同采樣點(diǎn)

時(shí)域抖動(dòng)

SNRJitter[dBc]=-20×log(2π×fIN×tJitter)(2)

正如我們預(yù)計(jì)的那樣，利用固定數(shù)量的時(shí)鐘抖動(dòng)，SNR 隨輸入頻率上升而下降。圖 4 描述了這種現(xiàn)象，其顯示了 400 fs 固定時(shí)鐘抖動(dòng)時(shí)一個(gè) 14 位管線式轉(zhuǎn)換器的 SNR。如果輸入頻率增加十倍，例如：從 10MHz 增加到 100MHz，則時(shí)鐘抖動(dòng)帶來(lái)的最大實(shí)際 SNR 降低 20dB。

如前所述，限制 ADC SNR 的另一個(gè)主要因素是 ADC 的熱噪聲，其不隨輸入頻率變化。一個(gè) 14 位管線式轉(zhuǎn)換器一般有 ~70 到 74 dB 的熱噪聲，如圖 4 所示。我們可以在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中找到 ADC 的熱噪聲，其相當(dāng)于最低指定輸入頻率（本例中為 10MHz）的 SNR，其中時(shí)鐘抖動(dòng)還不是一個(gè)因素。

讓我們來(lái)對(duì)一個(gè)具有 400 fs 抖動(dòng)時(shí)鐘電路和 ~73 dB 熱噪聲的 14 位 ADC 進(jìn)行分析。低輸入頻率（例如：10MHz 等）下，該 ADC 的 SNR 主要由其熱噪聲定義。由于輸入頻率增加，400-fs 時(shí)鐘抖動(dòng)越來(lái)越占據(jù)主導(dǎo)，直到 ~300 MHz 時(shí)完全接管。盡管相比 10MHz 的 SNR，100MHz 輸入頻率下時(shí)鐘抖動(dòng)帶來(lái)的 SNR 每十倍頻降低 20dB，但是總 SNR 僅降低 ~3.5 dB（降至 69.5dB），因?yàn)榇嬖?73-dB 熱噪聲（請(qǐng)參見(jiàn)圖 5）：

現(xiàn)在，很明顯，如果 ADC 的熱噪聲增加，對(duì)高輸入頻率采樣時(shí)時(shí)鐘抖動(dòng)便非常重要。例如，一個(gè) 16 位 ADC 具有 ~77 到 80 dB 的熱噪聲層。根據(jù)圖 4 所示曲線圖，為了最小化 100MHz 輸入頻率 SNR 的時(shí)鐘抖動(dòng)影響，時(shí)鐘抖動(dòng)需為大約 150 fs 或更高。

確定采樣時(shí)鐘抖動(dòng)

如前所述，采樣時(shí)鐘抖動(dòng)由時(shí)鐘的計(jì)時(shí)不準(zhǔn)（相位噪聲）和 ADC 的窗口抖動(dòng)組成。這兩個(gè)部分結(jié)合組成如下：

我們?cè)诋a(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中可以找到 ADC 的孔徑口抖動(dòng) (aperture jitter)。這一值一般與時(shí)鐘振幅或轉(zhuǎn)換速率一起指定，記住這一點(diǎn)很重要。低時(shí)鐘振幅帶來(lái)低轉(zhuǎn)換速率，從而增加窗口抖動(dòng)。

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