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1、 Rev. 0 | Page 1 of 8 降低ADC时钟接口抖动ADI公司应用工程部 引言应用工程笔记教程系列 目录 POWER SUPPLY INPUTANALOG INPUTDATA OUTPUTFPGA INTERFACEVREFCONTROLADCCLOCK INPUT应用工程笔记 MT-200时钟接口阈值区间附近的抖动会破坏模数转换器(ADC) 的动态性能，本笔记简要介绍时钟考虑因素和降低抖 动技术。时钟输入噪声.2 时域图.2 压摆率影响.3 频域图.3 相位域图.4 时钟转换器解决方案.5 修订历史 2012年1月修订版0：初始版亚洲技术支持中心 电话：4006-100-006
2、 电子邮箱： 网址：Rev. 0 | Page 2 of 8 图1. 抖动的时域图图2. 孔径抖动和采样时钟抖动的影响ERROR VOLTAGEENCODEQ1RECTANGULARBI-MODELNORMALIDEALdV10338-001ANALOG INPUTdV= SLOPEHOLDTRACK= APERTURE JITTER ERRORNOMINAL HELD OUTPUTdtdV dt ttRMS = APERTURE JITTERV =VRMS10338-002MT-200时钟输入噪声 时钟接口阈值区间附近的抖动会破坏模数转换器(ADC)的时序。例如，抖动会导致ADC在错误的时间
3、采样，造成对模拟输入的误采样，并且降低器件的信噪比(SNR)。降低抖动有很多不同的方法，包括改进时钟源、滤波、分频和时钟电路硬件。本文对如何改进时钟系统提出了一些建议，旨在实现最佳ADC性能。 时钟和ADC之间的电路噪声是时钟抖动的根本原因。随机抖动由随机噪声引起，随机噪声通过其无界字符来区分，遵循统计分布规律。主要随机噪声源包括 热噪声(约翰逊或奈奎斯特噪声)，由载流子的布朗运动引起。 散粒噪声，与流经势垒的直流电流有关，该势垒不连续平滑，由载流子的单独流动引起的电流脉冲所造成。 闪烁噪声，出现在直流电流流动时。该噪声由携带载流子的半导体中的陷阱引起，这些载流子在释放前通常会形成持续时间较短
4、的直流电流。 爆裂噪声，也称爆米花噪声，由硅表面的污染或晶格错位造成，会随机采集或释放载流子。 确定性抖动由干扰引起，会通过某些方式使阈值发生偏移，通常受器件本身特性限制。 查看时钟信号噪声通常有三种途径： 时域 频域 相位域 时域图 时钟抖动是编码时钟的样本(不同周期)间的变化，包括外部和内部抖动。抖动引起的满量程信噪比由以下公式得出 例如，频率为1 Ghz，抖动为100 FS均方根值时，信噪比为64 dB。 在时域中查看时，x轴方向的编码边沿变化会导致y轴误差，幅度取决于边沿的上升时间。孔径抖动会在ADC输出产生误差，如图2所示。抖动可能产生于内部的ADC、外部的采样时钟或接口电路。 Re
5、v. 0 | Page 3 of 8 图3. 时钟抖动随模拟信号增大而提升信噪比图4. 由抖动产生的理论信噪比和有效位数与 满量程正弦波模拟输入频率的关系图5. 通过增加压摆率来减少抖动图6. 频域图02(go l) clocksignal ffang i Skco lClputSampledOut+=SIGNAL TO NOISE RATIO (dB)FULL-SCALE ANALOG INPUT (MHz)908070857560655545 100100050SNRjit = 20log1 2 ftjitter50fS100fS200fS400fS800fS84dB78dB72dB66d
6、B60dBAIN = 200MHzEACH LINE SHOWS CONSTANT RMS CLOCK JITTER IN fsSNR OF ADC AT 200MHz, AIN VARIES WITH CLOCK JITTERANALOG INPUTDIGITAL OUTPUTSAMPLING CLOCKADC10338-003SIGNAL TO NOISE RATE (dB)ENOBFULL-SCALE ANALOG INPUTFREQUENCY (MHz)130120110100908070605030 110100100040RMS JITTER 1ps IS VERY HIGH PE
7、RFORMANCEIF SAMPLINGADCs ANALOG FREQUENCY 70MHz TO 300MHz, SNR 60dB TO 80dBSNR = 20 log101 2 ftjitter0.125ps 0.25ps 0.5ps 1ps 2ps10 BITS14 BITS16 BITS12 BITS10338-0040246INPUT SLEW RATE (V/ns)200150100500RMS JITTER (fs)10338-005WIDEBAND NOISETO DCCLOSE IN NOISECLOCK WITH PHASE NOISETO ENCODE BANDWID
8、TH10338-006MT-200图3显示抖动对信噪比的影响。图3中显示了5条线，分别代表不同的抖动值。x轴是满量程模拟输入频率，y轴是由抖动引起的信噪比，有别于ADC总信噪比。时钟抖动基于fSTART和fSTOP失调频率定义。例如，某个时钟可能从1 kHz到fs/2积分得到的抖动为200 fs，而从10 kHz到fs/2积分得到的抖动为170 fs。积分范围取决于终端应用。 由抖动引起的信噪比和有效位数(ENOB)的关系由以下公式定义：SNR = 6.02 N + 1.76 dB，其中N =有效位数。满量程100 MHz输入时，14位有效位数要求均方根抖动不超过0.125 ps或125 fs
9、。该公式假定ADC具有无限分辨率，其中的唯一误差是由时钟抖动产生的噪声。 压摆率影响 通过增加时钟边沿的压摆率，可以使电路减少裸露，从而降低噪声和抖动的影响。一方面，压摆率加快后，会增加电路设计的难度，可能引起电磁干扰(EMI)问题，还可能对其它电路造成干扰。注意，要精确测量压摆率，必须采用具有极低输入电容的示波器。图5显示了增加压摆率时如何减少抖动，因为只有阈值范围内的噪声才会产生抖动。 频域图 近载波噪声出现在采样时钟中心频率和等于信号带宽一半的单边带(SSB)失调之间。宽带噪声的范围从单边带失调到时钟接收器带宽。 时间的乘法运算是在频域中进行卷积。因此，时钟上在频域上的任何“裙边”都会施
10、加于数字信号。这会增加信号的EVM，降低整体性能。卷积到采样信号上的噪声量取决于模拟频率与采样频率的关系。 Rev. 0 | Page 4 of 8 图7. 卷积到采样信号上的噪声取决于模拟频率和 采样频率的关系图8. 抖动的相位域图图9. 使用噪声时钟采样时的30.62 MHz信号图10. 对编码带宽的近载波到时钟输出噪声进行积分计算DESIRED SIGNALPHASE NOISE SKIRTSPHASE NOISE SKIRTS120 120125130135140PHASE NOISE (dBc/Hz)145150155160101001k10k100k1M10M100MFREQUEN
11、CY (Hz)10338-007ANGULAR RATE OF ENCODE CLOCKPHASE, FREQUENCY AND AMPLITUDE NOISE ON CLOCKSAMPLE INSTANT: PHASE = 0 i.e. POSITIVE GOING 0 CROSSING10338-0082010dBc3040506070809010030.2530.5030.75FREQUENCY (MHz)31.0031.2510338-009PHASE NOISE COMPONENT OF CLOCKANGULAR RATE OF ENCODE CLOCKMAIN COMPONENT
12、OF CLOCKMODULATION ANGLE =rise runVphase_noise Vmain_clockINTEGRATE TO ENCODE BANDWIDTH10k160PHASE NOISE (dBc/Hz)100k1M(Hz)10M100M1G10338-010MT-200相位域图 相位噪声由每个时钟周期之间的时间变化引起。最终结果是时钟信号在基波频率周围变化。这一频率范围变化会降低ADC的信噪比。 下图所示的例子中，66 dBc的杂散增加到78 MHz时钟上，用来将ADC采样控制在30.62 MHz模拟信号。 杂散为74.1 dBc，按以下公式计算： 时钟设计人员通常会提
13、供一个相位噪声，但不提供抖动规格。相位噪声规格可以转换为抖动，首先确定时钟噪声，然后通过小角度计算将噪声与主时钟噪声成分进行比较。 相位噪声功率通过计算图10中的灰色区域积分得出。 高度为160 dBc，宽度为10 KHz至245.76 MHz。因此，10log(245.7e6 10e3) = 83.9 dB，160 + 83.9 dB = 76.1 dBc，得出积分噪声。 Rev. 0 | Page 5 of 8 图11.在频率范围内的噪声变化情况振荡器频率 均方根相位抖动(弧度）10201A 均方根抖动(秒） fOsc =OscAf220110 图12. 参考时钟不干净引起的抖动A1A2A
14、3A4INTEGRATE TO ENCODE BANDWIDTH(Hz)10k100k1M10M100M1G10338-011REFERENCE CLK NOISE FINAL AD9516 OUTPUT NOISE (PECL OUTPUT) VCO NOISE AD9516 PLL NOISE LOOP FILTER NOISE REF-IN OPEN LOOP40101001k10k100kFREQUENCY (Hz)1M10M100M6080100PHASE NOISE (dBc/Hz)12013016018010338-012MT-200载波的失调不同，噪声的斜率也不同。例如，A1区域通常为1/f噪声，而A4区域则视为宽带噪声。 A =面积=积分相位噪声功率(dBc)。 抖动可以通过对编码带宽的近载波到时钟输出的噪声进行积分计算确定。频率范围应分为较小的频带，然后相加得到总的结果。 A = 10 log10 (A1 + A2 + A3 + A4) 10 k至100 k (133.5 + 141.6) = 137.5 2 + 10 log(90 k
