作者：Maithil Pachchigar and Richard Liggiero

為設(shè)計(jì)選擇高分辨率ADC時(shí)，通常需要了解傳統(tǒng)上可能未在數(shù)據(jù)手冊(cè)中公布的特性。以轉(zhuǎn)換器在所有代碼上的噪聲性能為例。您可能在數(shù)據(jù)手冊(cè)中找不到此規(guī)格。幸運(yùn)的是，我們的設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有了一個(gè)工具，可以分析ADC的這個(gè)參數(shù)和其他參數(shù)，并從系統(tǒng)級(jí)的角度評(píng)估轉(zhuǎn)換器的真實(shí)性能。

ATE系統(tǒng)制造商LTX-Credence（LTXC）開(kāi)發(fā)了特征分析工具集，可以分析轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，如AD7960類，專為高端儀器儀表和ATE而設(shè)計(jì)。該工具集專為需要仔細(xì)分析傳遞函數(shù)或基于所有代碼的性能直接測(cè)量輸出的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，而不是典型的短路輸入或其他幾個(gè)不同的轉(zhuǎn)換器電平。

選擇 ADC 時(shí)，您可能需要考慮整體 ADC 效率、功耗、尺寸和價(jià)格。此外，請(qǐng)密切注意奈奎斯特帶寬上的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。本文介紹了一個(gè)工具集，以幫助了解數(shù)據(jù)手冊(cè)之外的信息，這將有助于決定為即將推出的新系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇精密ADC?，F(xiàn)在，我們將使用特征分析工具集演示ADI公司AD7960（18位PulSAR ADC）的性能。?

AD7960

AD7960和18位、5 MSPS差分ADC（如圖1所示）采用CAPCAC（電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器）技術(shù)，在不增加延遲或流水線延遲的情況下降低噪聲并提高線性度。AD7960在轉(zhuǎn)換開(kāi)始后約100 ns返回采集模式，其采集時(shí)間約為總周期時(shí)間的50%。因此，盡管速度是第二快的18位SAR ADC的兩倍，但它的采集時(shí)間幾乎相同。這使得AD7960易于驅(qū)動(dòng)，并減輕了ADC驅(qū)動(dòng)器建立時(shí)間要求的負(fù)擔(dān)。它提供高端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的寬帶寬、高精度（INL：±0.8 LSB、SNR：99 dB和THD：?117 dB典型值）和快速采樣（200 ns），同時(shí)降低多通道應(yīng)用中的功耗和成本。

圖1.AD7960功能框圖顯示CAPDAC是SAR（逐次逼近寄存器）環(huán)路的一部分。

AD7960系列數(shù)字接口采用LVDS（低壓差分信號(hào)），提供自時(shí)鐘和回波時(shí)鐘模式，可在ADC和數(shù)字主機(jī)之間提供高達(dá)300 MHz（CLK±和D±）的高速數(shù)據(jù)傳輸。LVDS接口減少了數(shù)字信號(hào)的數(shù)量，并簡(jiǎn)化了信號(hào)路由，因?yàn)槎鄠€(gè)器件可以共享一個(gè)公共時(shí)鐘。這也降低了功耗，這在多路復(fù)用應(yīng)用中特別有用。

自時(shí)鐘模式簡(jiǎn)化了與主機(jī)處理器的接口，允許使用標(biāo)頭進(jìn)行復(fù)雜的時(shí)序，以同步每次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。當(dāng)每個(gè)系統(tǒng)使用多個(gè)ADC以及存在電路板空間、功耗和布局布線限制時(shí)，此模式特別有用。需要報(bào)頭以允許數(shù)字主機(jī)獲取數(shù)據(jù)輸出，因?yàn)闆](méi)有與數(shù)據(jù)同步的時(shí)鐘輸出。當(dāng)每個(gè)系統(tǒng)使用幾個(gè)ADC而沒(méi)有任何電路板空間或功耗限制時(shí)，回波時(shí)鐘模式非常有用。此模式提供可靠的時(shí)序，但代價(jià)是額外的差分對(duì) （DCO±）。

AD7960采用1.8 V和5 V電源供電，在自時(shí)鐘模式下轉(zhuǎn)換時(shí)，5 MSPS時(shí)的功耗僅為39 mW，在回波時(shí)鐘模式下轉(zhuǎn)換時(shí)，5 MSPS時(shí)的功耗僅為46.5 mW。其功耗與采樣速率成線性關(guān)系，如圖2所示，非常適合低功耗應(yīng)用。極低采樣速率下的功耗主要由LVDS靜態(tài)功耗決定。

圖2.AD7960的功耗與吞吐速率呈線性關(guān)系。

AD7960系列允許您使用三種外部基準(zhǔn)電壓源選項(xiàng)中的任何一種：2.048 V、4.096 V和5 V。片內(nèi)緩沖器使2.048 V基準(zhǔn)電壓加倍，因此轉(zhuǎn)換以4.096 V或5 V為基準(zhǔn)。

特征分析工具集

為了獲取傳統(tǒng)數(shù)據(jù)手冊(cè)之外的數(shù)據(jù)，我們提供了特征分析工具集與ADC交互的簡(jiǎn)化視圖。今天的數(shù)據(jù)手冊(cè)在性能和結(jié)構(gòu)上非常相似，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器市場(chǎng)已經(jīng)到了性能經(jīng)常被價(jià)格和功耗所折衷的地步。但是，這些權(quán)衡是以什么代價(jià)為代價(jià)的呢？在這里，我們專注于識(shí)別轉(zhuǎn)換器的真實(shí)性能。

特征分析工具集具有將數(shù)據(jù)分析推送到我們可以評(píng)估轉(zhuǎn)換器真實(shí)性能的算法，超出了數(shù)據(jù)手冊(cè)中傳統(tǒng)上發(fā)布的內(nèi)容。該工具集最初是作為評(píng)估工具開(kāi)發(fā)的，用于為 LTXC 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器測(cè)試模塊 （DCTM） 指定下一代組件。作為DCTM成功的直接結(jié)果，該工具集提供了一種驗(yàn)證、指定和表征所有代碼轉(zhuǎn)換器的方法。專為轉(zhuǎn)換器測(cè)試而開(kāi)發(fā)的DCTM和數(shù)據(jù)處理算法使IC制造商能夠?yàn)槠洚a(chǎn)品增加價(jià)值。作為同類最佳的混合信號(hào)通道卡，DCTM 在評(píng)估轉(zhuǎn)換器性能以及性能、功耗和價(jià)格權(quán)衡方面超越了熟悉的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式儀表。

特征分析工具集提供了對(duì)ADC傳遞函數(shù)的寶貴見(jiàn)解（如圖3所示），可以幫助最終用戶選擇特定的轉(zhuǎn)換器。這種洞察力還為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)提供了關(guān)于轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)與理想轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)偏差的精確反饋。識(shí)別傳遞函數(shù)中的擾動(dòng)是一個(gè)熟悉的概念。然而，隔離它們發(fā)生位置的能力已被證明對(duì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程非常寶貴。

圖3.使用特征分析工具集的數(shù)據(jù)流將生成多個(gè)繪圖。

AD7960 評(píng)估

這里介紹的是使用LTX-Credence特征分析工具集了解的有關(guān)轉(zhuǎn)換器的信息。

線性度和動(dòng)態(tài)性能是高分辨率精密轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)重要測(cè)試要求。使用工具集對(duì)AD7960分析和顯示這些測(cè)試，如圖4所示。這些參數(shù)也可在AD7960數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。

圖4.AD7960線性度圖的靜態(tài)性能：（a）INL和（b）DNL。

測(cè)試設(shè)備模擬儀器的信號(hào)完整性和性能對(duì)于確定AD7960以及整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的質(zhì)量至關(guān)重要。在查看轉(zhuǎn)換器的最終結(jié)果時(shí)，信號(hào)完整性的事實(shí)有時(shí)會(huì)在轉(zhuǎn)換中丟失。測(cè)試儀的信號(hào)調(diào)理網(wǎng)絡(luò)、參考設(shè)計(jì)和電源確實(shí)有助于圖5中的整體測(cè)量性能。

圖5.使用特征分析工具集測(cè)量的AD7960動(dòng)態(tài)性能顯示THD = 119.8 dB，SNR = 99.2 dBFS，ENOB為16.2位。

使用特征分析工具集對(duì)AD7960的數(shù)據(jù)集進(jìn)行后處理，您可以找到轉(zhuǎn)換器滿量程范圍內(nèi)的噪聲性能。LTXC開(kāi)發(fā)了一種在所有代碼上重建高分辨率轉(zhuǎn)換器噪聲的方法，如圖6所示。

圖6.AD7960噪聲響應(yīng)圖包括所有ADC代碼的數(shù)據(jù)。

為了通過(guò)公布的數(shù)據(jù)手冊(cè)增強(qiáng)產(chǎn)品吸引力，我們可以表征轉(zhuǎn)換器在所有ADC代碼下的噪聲性能，而不是典型的短路輸入或其他幾個(gè)不同的轉(zhuǎn)換器電平。這種方法提供了轉(zhuǎn)換器和采集系統(tǒng)的更具包容性的視圖。

通過(guò)工具集收集的此信息集，您可以確定穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)SNR，其可重復(fù)性和再現(xiàn)性，以及作為代碼函數(shù)的潛在噪聲問(wèn)題。今天的數(shù)據(jù)手冊(cè)中缺少這種擴(kuò)展數(shù)據(jù)，這可以幫助設(shè)計(jì)人員選擇在所有代碼中廣泛使用的轉(zhuǎn)換器。除了將工具集用作反饋機(jī)制以幫助區(qū)分未來(lái)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)外，它還用作演示工具來(lái)顯示轉(zhuǎn)換器的信號(hào)完整性。

總結(jié)一下，圖6顯示了AD7960在所有代碼（262、144、218）上的衍生噪聲。這種類型的噪聲響應(yīng)是單個(gè)代碼直方圖無(wú)法揭示的。從系統(tǒng)級(jí)別的角度來(lái)看，這在實(shí)際使用中很重要。例如，ATE制造商在整個(gè)傳遞函數(shù)中使用轉(zhuǎn)換器，而不是單一代碼方法，從而增強(qiáng)了轉(zhuǎn)換器對(duì)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員的吸引力。

與AD7960一樣，圖6顯示傳遞函數(shù)沒(méi)有明顯偏移或任何特定的不連續(xù)性，因此證明了系統(tǒng)功能。從圖6中的噪聲圖中深入挖掘，SNR可以使用以下公式推導(dǎo)出來(lái)：

測(cè)得的信噪比為99.2 dBFS，如圖5所示。這提供了測(cè)試的所有代碼噪聲的相關(guān)電平，其與計(jì)算的100.7 dB噪聲電平相差1.5 dB以內(nèi)。此外，該工具集中還內(nèi)置了對(duì)信息進(jìn)行后處理的功能，以便更精細(xì)地了解AD7960的實(shí)際性能。

結(jié)論

評(píng)估高端轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)換器選擇過(guò)程中，這些類型的結(jié)果非常寶貴，因?yàn)樗麄冃枰谛阅?、功耗和價(jià)格等關(guān)鍵指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡。使用 特征 分析 工具 集， 您 可以 直觀 地 查看 傳統(tǒng) 數(shù)據(jù) 手冊(cè) 之外 的 規(guī)格， 并 確定 關(guān)鍵 參數(shù) 性能 指標(biāo)， 以 反饋、 改進(jìn) 和 驗(yàn)證 下一代 儀器 設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷