設計中選擇高分辨率ADC時，經常需要了解一些數據手冊中通常可能不會公布的特性數據，例如，全部代碼范圍內的轉換器噪聲性能。在數據手冊中，您不一定能找到這一規格。幸運的是，設計人員現在有一款工具可以分析ADC的這些數據以及其他參數，并從系統角度出發評估轉換器的真正性能。

ATE系統制造商LTX-Credence (LTXC)開發了“特征分析”工具集，可分析諸如AD7960之類的轉換器產品；這類產品針對高端儀器儀表和ATE設計。該工具集設計用于需要仔細分析傳遞函數或根據全部代碼(而非典型短路輸入)范圍內或處于其他幾個獨特的轉換器電平時的性能直接測量輸出的系統。

選擇ADC時，您可能需要整體考慮ADC效率、功耗、尺寸和價格。此外，還應密切注意奈奎斯特帶寬內的靜態和動態性能。本文介紹的工具集有助于了解數據手冊之外的內容，幫助您在新系統設計中選擇合適的精密ADC。我們將使用特征分析工具集演示ADI的18位PulSAR?ADCAD7960性能。

AD7960

如圖1所示，AD7960和18位、5 MSPS差分ADC采用CAPDAC(容性數模轉換器)技術降低噪聲并增加線性度，而不會引入延遲或流水線延遲。AD7960在轉換開始后大約100 ns內返回采集模式，并且其采集時間約為總周期時間的50%。因此，雖然該器件工作速度比第二快的18位SAR ADC高出將近兩倍，它們的采集時間卻基本相等。這使得AD7960易于驅動，并降低ADC驅動器的建立時間要求。它提供寬帶寬、高精度(INL：±0.8 LSB，SNR：99 dB，THD：?117 dB典型值)以及高端數據采集系統所需的快速采樣(200 ns)性能，同時降低多通道應用的功耗和成本。

圖1. AD7960功能框圖顯示CAPDAC用作SAR(逐次逼近型寄存器)環路的一部分。

AD7960系列數字接口采用LVDS (低壓差分信號)，具有自時鐘模式和回波時鐘模式，提供ADC和數字主機之間高達300 MHz (CLK±和D±)的高速數據傳輸。由于多個器件可共享時鐘，因此LVDS接口降低了數字信號的數量，簡化了信號路由。它還能降低功耗，這在多路復用應用中尤為有用。

自時鐘模式利用主機處理器簡化接口，允許接頭采用復雜時序同步每次轉換的數據。每個系統中使用很多ADC，同時又有各種電路板空間、功耗和布局布線方面的限制時，該模式特別有益。若要讓數字主機采集數據輸出，則需要用到接頭，因為數據不存在時鐘輸出同步。每個系統中使用幾個ADC，并且不存在任何電路板空間或功耗限制時，回波時鐘模式很有用。該模式提供穩定的時序，但要使用一對額外的差分對(DCO±)。

AD7960采用1.8 V和5 V電源供電，在自時鐘模式下進行轉換時，5 MSPS速率的功耗僅為39 mW；而在回波時鐘模式下進行轉換時，5 MSPS速率的功耗為46.5 mW。如圖2所示，該器件的功耗隨采樣速率線性變化，從而非常適合低功耗應用。極低采樣速率下的功耗主要由LVDS靜態功率所決定。

圖2. AD7960功耗與吞吐速率的線性關系

AD7960系列允許使用三個外部基準電壓源選項中的任意一個：2.048 V、4.096 V和5 V。片內緩沖器使2.048 V基準電壓翻倍，因此轉換等效于4.096 V或5 V。

特征分析工具集

為了獲得傳統數據手冊以外的數據，我們將簡單演示特征分析工具集與ADC交互的情況。現在的數據手冊無論性能數據或結構內容都非常相似，因為轉換器市場已經到達了這樣一種狀態，即性能通常讓步于價格和功耗。但這些權衡取舍的代價是什么？本文重點說明轉換器的真實性能。

圖3. 使用特征分析工具集的數據流會產生多個曲線圖形

特征分析工具集使用的算法可將數據分析推至能夠評估轉換器真實性能的程度，超出傳統數據手冊中公布的內容。該工具集一開始是作為LTXC數據轉換器測試模塊(DCTM)新一代組件的評估工具而開發。得益于DCTM的成功，該工具集可提供全代碼范圍內驗證、指定與表征轉換器的方法。DCTM和數據處理算法針對轉換器測試而開發，可讓IC制造商實現產品增值。作為一流的混合信號通道卡，DCTM在評估轉換器性能以及性能、功耗和價格的權衡取舍方面超越了熟知的標準臺式儀器儀表。

特征分析工具集提供有關ADC傳遞函數的重要詳情(如圖3所示)，有助于最終用戶選擇特定的轉換器。這些詳情還能為產品開發團隊提供轉換器傳遞函數相對理想轉換器產生偏差的精確反饋。識別傳遞函數中的擾動并不是個陌生的概念。然而，對于系統開發流程而言，將產生擾動的位置隔離開來具有極高的價值。

評估AD7960

這里顯示使用LTX-Credence特征分析工具集收集的轉換器信息。對于高分辨率精密轉換器而言，線性度和動態性能是兩個重要的測試要求。這些針對AD7960的測試使用工具集進行分析并顯示，其圖形參見圖4。這些參數也可在AD7960數據手冊中找到。

圖4. (a) INL和(b) DNL線性度曲線的AD7960靜態性能

確定AD7960和整個數據采集系統質量的關鍵因素是信號完整性以及測試設備模擬儀器的性能。查看轉換器最終結果時，信號完整性有時候會在轉換中丟失。測試的信號調理網絡、參考設計以及電源確實會對測得的整體性能產生影響，如圖5所示。

圖5. AD7960動態性能，使用特征分析工具集測量，顯示THD=119.8 dB、SNR=99.2 dBFS、ENOB=16.2位。

采用特征分析工具集對AD7960的數據集進行后期處理可獲得滿量程范圍內的轉換器噪聲性能。LTXC開發了一種新的方式，重構全代碼范圍內的高分辨率轉換器噪聲，如圖6所示。

圖6. 該AD7960噪聲響應曲線包括ADC所有代碼下的數據

為了通過公開的數據手冊增加產品吸引力，我們可以在ADC的全部代碼內對轉換器噪聲性能進行表征，而非僅針對典型短路輸入或對幾個其他獨特的轉換器電平表征。這種方法可以提供轉換器以及采集系統更為全面的信息。

通過這些由工具集收集到的信息集，您可以確定穩定性，并預測SNR、其可重復性和可重現性，以及與代碼有關的潛在噪聲問題。目前的數據手冊并不提供這些額外數據，而它們可以幫助設計人員選擇轉換器，并在所有代碼中廣泛使用。除了使用工具集作為反饋機制以幫助未來的系統級設計實現差異化外，它還能用作演示工具，顯示轉換器的信號完整性。總而言之，圖6顯示了所有代碼(262, 144, 218)下AD7960的噪聲。

單一的代碼直方圖無法揭示這類噪聲響應。從系統角度而言，這一點在實際使用中非常重要。例如，ATE制造商在整個傳遞函數范圍內使用轉換器，而非針對單個代碼方式使用，這使得轉換器對系統級設計人員而言更具吸引力。

如同采用AD7960的實例，圖6未顯示明顯的傳遞函數偏差或任何特定的不連續性，因此證明了系統的性能。進一步研究圖6中的噪聲曲線，便可以通過下式推導出SNR：

如圖5所示，測得的SNR為99.2 dBFS。測試得到的全部代碼噪聲與等式計算得到的100.7 dB噪聲水平相差在1.5 dB以內。此外，工具集還具有信息后期處理能力，提供AD7960真實性能的更佳視圖。

結論

在權衡關鍵的性能、功耗和價格等指標時，評估高端轉換器的系統級設計人員將會發現這類結果對于轉換器的選型而言極具價值。使用特征分析工具集，您可以直觀地查看傳統數據手冊以外的規格，同時識別反饋的關鍵參數性能指標，改善并驗證新一代儀器儀表設計。