高速信號、時鐘及數據捕捉(05-100)

　　隨著模/數轉換器的數據轉換取樣率提高至每秒千兆個取樣 (GSPS) 以上的水平，數據轉換系統必須作出相應的配合，才可支持這樣高的轉換率，而其他支持性的模擬元件也必須產生系統所需的高頻信號，然后將之放大。系統設計工程師除了要對模擬信號路徑有深入的了解之外，也要徹底認識取樣時鐘以及系統如何以高位速率捕捉數字信號。本文 將會就有關上述兩個重要的問題提供多個不同的解決方案。以下所討論的資料有助深入了解采用高性能模/數轉換器的系統。

　　時鐘電路

　　時鐘電路是高速數據轉換系統最重要的子電路之一，因為時鐘信號能否準確定時會直接影響模/數轉換器的動態性能。為了減低其影響，模/數轉換器時鐘電路的定時抖動或相位噪聲必須極低。若選擇時鐘電路時沒有將這個因素加以考量，那么即使所采用的前端模擬輸入電路或模/數轉換器性能非常卓越，系統性能也可能會不如想象中理想。完美的時鐘永遠可以在精確的時間內提供跳變沿。但實際上，時鐘沿會不斷出現在不同時間內，正因為時間的不確定性，取樣后波形的信噪比受到數據轉換過程的影響。

 

　　圖 1 時鐘信號頻譜分析示例

　　只要因為抖動產生的噪聲不超過量化噪聲(1/2 LSB )， 最大的時鐘抖動能適應任何抖動源，其數值可以用下式計算出來：

　　Tj(rms) = (VIN(P-P) / VINFSR) x (1/(2(N+1) x x fin))

　　若輸入電壓 (VIN) 范圍能夠完全吻合模/數轉換器的滿幅值范圍，抖動便會成為影響模/數轉換器分辨度 (N 位) 及輸入頻率(fin) 的因素。

　　若輸入頻率不超過奈奎斯特率 (亦即若轉換率為 1GSPS，輸入頻率為 500MHz)，總抖動要求的公算公式如下：

　　Tj(rms) = 1 x (1/(2(8+1) x x 500 x 106))

　　Tj(rms) = 1.2ps

　　這個數值代表不同抖動源的抖動總和。來自模/數轉換器芯片本身的抖動稱為孔徑抖動。它與芯片的輸入取樣及保持電路定時上的不確定性有密切的關系。若要確定時鐘電路可承受的最高時鐘抖動，這個不確定因素必須一并加以考量。

　　時鐘電路抖動 = SQRT (Tj(rms)2 - (模/數轉換器孔徑抖動)2 )

　　以 ADC08D1000 芯片為例，數據表上列出的孔徑抖動為 0.4ps，這個數值將模/數轉換器時鐘對抖動的要求限制到約為 1.1ps。

　　但是，簡單的讓振蕩器的性能參數符合要求并不能保證整個系統能達到預期的效果。因為與基本頻率并存的其他頻率也發揮極為重要的作用，所以我們必須利用頻譜分析儀檢視時鐘信號，并確?；绢l率能量不會在頻譜范圍內過寬。擴散至較高頻率范圍內的雜散信號不但可以在分析儀上清楚看到，而且還會直接影響抖動。圖 1 將非理想時鐘信號的頻譜與低噪音、低抖動時鐘信號的頻譜加以比較。