【E课堂】正确理解和比较高速 ADC 产品说明书

【E课堂】正确理解和比较高速 ADC 产品说明书

（2024年11月26日更新）

和产品的任何其他方面一样，产品说明书也可以不断改进，制造商正在努力详细说明产品说明书1。然而，市场上留下了许多产品/产品说明书版本。对于新版本或更早版本，不同标准的使用也取决于不同的因素。即使有一些特定的标准已经公开发布（如参考书目2中提到的），标准的统一仍然很遥远。

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本文的目的是为不同的高速模数转换器突出不同的制造商或同一制造商(ADC)写产品说明书时使用的标准之间的差异。表1是选择正确设备时可以使用的速检表。

表1选择高速ADC的速查表

dB、dBc与dBFS的比较

评估高速ADC产品说明书中所示性能的主要标准之一是动态特性或例如SNR,SINAD、THD以及SFDR可调交流规范。例如，假设SINAD(也称为SNDR或SNRD)为信噪比，即信号功率与其他频段功率(失真和噪声)之和的比值。通常，将这个比值转换为对数值并使用dB表示。

产品说明书之间最大的区别在于单位的选择，特别是信号功率的选择标准。除了导致这种差异的细节外，让我们来看看信号功率可以用来测量的信号功率3，或者类似于全范围信号的外推功率。为了避免混淆，TI记录第一种情况下的单位dBc(dB与载波的比率)，记录第二种情况dB(用于较早的产品说明书)或dBFS(dB最新产品说明书用于满量程比。虽然两者之间没有主次之分，下面将解释它们可以相互推导，但当制造商只说dB在向单位解释时，仍会产生混淆。在TI在两位竞争对手撰写的产品说明书中，dB”等于dBc，在第三家竞争对手撰写的产品说明书中，dB”等于dBFS。

影响最终比较结果的因素有哪些？假设以-1dBFS输入振幅测量来自不同制造商的两个转换器。这意味着在测试期间，输入值低于满量程dB换句话说，振幅(A)约为ADC90%的全动态量程。假设两个转换器性能相同，因此具有相同的噪声和失真功率。第一种情况(dB”等于dBc)，制造商使用输入功率(A)除噪声和失真功率外(N D)计算信噪比SINAD1。在第二种情况下(dB”等于dBFS)，在这种情况下，制造商增加了1dB(当输入为-1dBFS时)。因此，SINAD2=SINAD1 1。第一家制造商的设备看起来不如1dB，但其实和第二家厂家的设备是一样的。dBc的值可以从dBFS只需添加输入振幅(以获得)dBFS单位):以dBc为单位规范=以dBFS为单位规范以dBFS为单位的AIN。

当我们比较的时候dBc规范表示的两个转换器时，另一点值得注意的是输入振幅也会因器件的不同而不同。显然，随着输入振幅的减小，信号值(在)dBc规范)也很可能变小(因为当信号功率降低时，一些噪声底限的组成保持不变)。因此，为了使其更有意义，两个输入振幅必须相等。只要将两个输入振幅的差异添加到较小的输入振幅中，就可以做出很好的推断。

显然，由于大多数转换器的规定信号接近满量程，最终信号水平的差异（取决于使用的单位）通常不大于2dB。然而，信号水平的差异不仅可以代表一些应用程序的巨大差异，还可以影响最终产品设计的好处，甚至影响整个设计。

最后一个问题是如何区分ADC产品说明书中的dB是dBc规范还是dBFS规范。最简单的方法之一是直接询问制造商；如果不起作用，设计师可以查看产品说明书的典型性能曲线图。制造商通常是针对dBc和dBFS不同的曲线图可以根据曲线图的值与产品说明书中规定的值进行比较。

功耗规范

功耗是产品说明书的另一个常见差异。TI转换器的总功耗通常在产品说明书的主页上列出。这些状态包括输入差与低频或直流的比较，以及在数字侧的每个引脚上施加10-pF的负载。当然，TI内核功耗(模拟，AVDD)数字供电损耗(输出)DVDD)。这主要是因为几乎所有其他制造商记模拟功耗，而不包括接口功耗。一些制造商在产品说明书中列出了接口功耗，但用户必须注意一些测量条件，如输入频率、每个引脚的输出负载和输出电压，这将显著影响测量值。

此外，还必须特别注意ADC也许有一些独特的模式。并不只是TI这种情况发生在产品说明书中。一些制造商的转换器在模型A下测量功耗，并在产品说明书中列出，但在模型B下给出了其他动态规范。再比如，对于那些能承受较宽数字电源电压的转换器，产品说明书最高DVDD在电压下给出时序规范，但在最低点DVDD在电压下给出功耗值。

最后，我们必须注意转换器对功率的贡献。一些转换器可能会以丢失内部信息为代价节省功率损耗，如接受差异时钟所需的参考电压或时钟放大器（以实现更低的噪声/抖动），如PECL或LVDS小摆幅时钟电平，或截平滤波时钟(正弦曲线)。这个问题将在下面进一步解释。

时钟信号

最好的ADC性能4，时钟信号是最令人担忧的问题。虽然一切ADC每个人都有一个时钟输入端，但其中一些比其他人更容易使用。最关键的问题是时钟抖动、空比和必要的时钟电平。当采用高输入频率采样时，通常可以获得更好的性能参数。

用户通常使用带通滤波器过滤时钟信号来实现低抖动。这也将产生50%的空比，接近许多ADC的最佳条件。然而，由于滤波器的插入损耗，时钟信号振幅会受到影响，时钟信号会变成正弦曲线而不是方波。接收高质量的时钟信号，TI和其他厂家在一起ADC时钟放大器添加到输入端。其功能是将正弦曲线修正成方波，为内部电路的时钟循环提供所需的增益。此外，时钟放大器还提供了差动接口，可以减少时钟信号线中噪声耦合的影响，从而减少抖动。当然，这是为了增加ADC以功耗为代价。

然而，一些ADC可能还需要CMOS电平方波时钟信号。这类ADC输入必须是单端口，并能抑制外部噪声源与时钟路径的耦合。大部分此类ADC低输入频率(50)MHz采样并能获得良好的性能。这就是医学超声波ADC典型应用。然而，为了获得更高的输入频率(如通信应用程序)下的高信噪比(大于60s)，需要提供外部元件，使时钟信号成为方波，有效增加功率和电路板面积。即使有了这些外部元件，用户仍然必须考虑单端接口，最终设计可能无法获得ADC采用内部时钟放大器时所能达到的最优性能。

为提供一致的产品说明书，TI相同的图表和性能参数用于相同时钟条件下的产品说明书。正弦曲线通常用于具有差动输入时钟信号的设备，尽管它不是ADC最佳条件(由于时钟边缘压摆率的限制)。为了覆盖转换器的所有可能应用，TI开始在产品说明书中引入3D等待高线图表(见图1)，允许用户在给定输入和采样频率下获得典型性能。除非采样频率发生变化，否则输入时钟信号的所有条件都会保持不变。这意味着如果使用正弦波时钟信号，减少采样频率会减慢时钟边缘，从而加剧实际抖动。这是每个ADC常见现象，4但TI设计的ADC尽量减少抖动。虽然这是最坏的情况，减少抖动的技术TI芯片代理有很多种，但在实验中改变时钟条件是不公平的；同样，如果时钟条件保持不变，则信噪比SNR它会随着抖动的增加而减少。用户必须知道，如果没有时钟放大器，性能可能会下降更多。此外，用户还必须知道，如果能够提供一个小抖动的方波时钟信号，ADC性能会大大提高。

图1SNR曲线与输入和采样频率5有关

输出时序

捕捉传输到FPGA、ASIC、DDC或其他跟随ADC用户必须知道输出数据的窗口是稳定的。不过，重点是大多数厂商均致力于提供一致且完善的产品说明书限制。这是因为生产中使用的最终测试结果受到自动测试设备精度、不能直接访问输出端（数据缓冲）、产品说明书（如数字负载）等因素的影响。克服这些局限性，TI当设备在生产过程中不进行测试时，通过设计和特征（即通过统计方法设置这些参数），可以促使我们设置更宽的保护频带。如果在其他厂家使用相同的限制，往往会导致产品说明书不完善或不准确。

设计师应对没有任何保证书的设备、有保证但条件不切实际的设备(如0-pF负载)、未明确用于捕获数据所需参数的设备(如给出建立时间但未给出维护时间)、未说明规范使用的设备VOH和VOL电平装置(例如，给出从50%到50%的信息，但要推导出来VIH/VIL逻辑电平很麻烦)，或者没有明确询问整个工作温度范围内详细参数的设备。

此外，为了改进数据捕获窗口，TI与其他制造商相比，输出时钟可以更好地跟踪输出数据。使用输出时钟可以减少应用程序中的时间限制。

最后，请注意，建立与维护时间的定义和门电路建立与维护时间的对应部分相同。在门电路中，建立时间表示门电路输入端数据的准备时间比时钟边缘锁定时间提前多少。时间提前得越多，使用该闭锁门电路就越困难。在ADC建立时间表示数据稳定时间比输入或输出ADC时钟边缘提前了多少？建立时间越长，捕获数据就越容易。这些规则也适用于维护时间。

过程增益

与SNR与两个参数相比，用户必须考虑ADC采样速率。通过积分收敛于奈奎斯特曲线的整体噪声底限，可以获得信噪比。当然，用户的信号只占用一些带宽；只有带宽上的噪声才会影响信号，其他噪声可以通过数字滤波器过滤。对于相同的SNR采样速率高ADC噪声底限相对较低。例如，一个200kHz带宽，信噪比90-dBFS的?∑型ADC理论上，产品说明书规定的信噪比为75-dBFS、100MSPS的14位ADC——ADS5424要好。当然，如果在使用ADS5424对200-kHz采样带宽后(明显超过1000MSPS采样率)，我们用数字滤波器过滤带宽外的噪声(从2000开始kHz直到50MHz)，ADS本带宽上5424等效信噪比为：

SNR200kHz=75 10×log10(50×106/200×103)=99dBFS>>90dBFS。

ADS5424的信噪比将明显优于?∑型ADC（例如，假设噪声均匀地分布在奈奎斯特曲线上，即没有明显的闪烁噪声影响）。上述方程的第二项称为过程增益。随着过采样比的增加，相同信噪比的用户将降低3dB。换句话说，相关频带的等效精度将提高0.5比特。

数据应用的条件和最小值

如果没有明确的条件，规范将毫无意义。、这在营销材料和选择参数表中尤为重要。条件可以简化产品说明书中显示的信息，但在某些情况下，没有提到测量条件。

典型值通常代表分布的平均值。然而，用户应注意最小值，特别是当设备在一定范围内工作（如多变的温度环境）时。典型和最小参数之间的大范围变化会出现一些问题。变化是由最终测试结果的局限性引起的吗？如果是这样，设备可能会适用，但这样做的风险只能保证最小值。最糟糕的情况是设备本身的局限性，工艺变化(不同设备之间)会导致设计不耐用。检查产品说明书中典型的性能变化与电源电压或温度之间的关系曲线图使设备具有良好的稳定性，并屏蔽此类问题。