ADC基础及测试详解(2)

2. 频谱性能术语
SNR：信噪比，是指基频功率与除去直流及前5次谐波的噪底功率之比，有些数据手册可能是要除掉前9次谐波。基频也叫信号或者载波。SNR的单位是dBc（当用基频的绝对作参考时）；或者dBFS。
SFDR：无杂散动态范围。SFDR是基频功率与最高的杂散功率之比。
THD：总谐波失真。THD是基频功率与前5次谐波功率之比。THD在单位通常是dBc。与SNR类似，有的数据手册可能取前9次谐波来计算THD。
SINAD：信号噪声与失真。SINAD的单位可能是dBc或者dBFS。
ENOB：有效位数。
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理想SNR=6.02*n+1.76，当n=ENOB时，理想SNR=SNR。对于理想ADC而言，由于没有谐波，其SINAD=SNR。
例如，设计师需要一个SINAD为75dB的ADC，则ENOB=(75-1.76)/6.02=12.2bits，那么至少要选14位甚至16位的ADC才能满足要求。
3. 奈奎斯特、混叠、欠采样、过采样和带宽
根据奈奎斯特采样定理，采样时钟频率至少是输入模拟信号频率的2倍。
过采样：采样频率大于信号频率的2倍，即FIN<FS/2。FS/2即奈奎斯特频率。
欠采样：信号频率大于奈奎斯特频率。此时，会导致混叠。
混叠并非一无是处，它可以将高频信号混频到低频信号，可以省去额外的混频器，以减少系统功耗和成本，但前提是必须慎重考虑频率规划和ADC选型。
说明: 图片

从上图可知，在ADC选型时，需要考虑如下两点：
A：ADC满足期望的频率规划
B：输入模拟信号的带宽小于ADC的奈奎斯特频率
另外，ADC的带宽还要满足输入模拟信号的频率需求。
4.ADC管脚接口
一般来说，ADC包括以下6种接口：

模拟输入
参考/共模模式
时钟输入
数字输出
电源
GND
4.1模拟输入
高速ADC通常采用差分输入，输入信号是180度反相的，使得信号是叠加的。与单端输入相比，由于消除了共模噪声，差分信号改善了ADC的噪声特性。此外，差分信号还降低了偶次谐波，这是由于信号被偏移了180度，对于偶次谐波，导致2x180,4X180,6X180度的相移，如下图所示

与单端信号相比，差分信号的幅度仅于等效单端信号的一半，从而差分信号具有更优的谐波性能。小信号使得ADC具有更宽的裕量。一般而言，更多的裕量可以使ADC工作在线性区域，减少产生谐波的非线性影响。如下图所示：

下图所示为双变压器ADC输入接口，变压器用于将单端信号转换成差分信号。

单变压器会有少量的不匹配，会产生偶次谐波。第二级变压器用于校正这种不匹配，以降低偶次谐波。在高频信号时，采用变压器可以获得较高的性能。但是，对于基带信号或者低频信号，通常采用运放驱动ADC输入。
4.2参考/共模模式
参考电压和共模电压在ADC中具有不同功能。在许多ADC中，参考电压和共模电压具有相同的电平，或者有时ADC管脚会复用参考电压和共模电压功能。因此，这些信号术语有时会导致误解。
参考电压决定的ADC的动态范围。数据手册通常会提供参考电压和动态范围的关系。

参考电压可以由ADC内部生成，或者外部提供。为了获得数据手册标注的性能，需要提供正确的参考电压。对于外部参考，应尽量降低外部参考电压的直流噪声。参考电压上的噪声会直接影响ADC的SNR。
图11中，共模电压VCM是指输入到差分模拟输入信号的直流电平。VCM用于将将差分输入信号偏置在电源和GND的中间。
VCM有以下几种应用方式：
有些ADC有VCM管脚，输出内部产生的VCM
有些ADC将VREF设置成与VCM相同的电平，因此，VREF可用于生成VCM
设计师可选择外部提供VCM

对于外部产生的VCM，必须保证其电平与数据手册要求一致，错误的VCM电平会降低ADC的SNR。
4.3时钟输入/抖动
高速ADC通常采用差分时钟输入。时钟抖动及斜率是影响ADC的SNR的重要因素。时钟抖动对SNR的影响如下所示：
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由上可知，对于理想ADC，时钟频率并不会影响SNR。若不考虑时钟抖动，时钟频率达到ADC设计极限（诸如建立、保持或模拟建立时间），从而最终导致SNR下降。
抖动不变时，SNR随输入信号频率增加而降低。
说明: 图片

由上图所示，指定时钟抖动时，SNR随信号频率增加而降低。高频模拟输入信号对于时钟抖动有较大的误差。如果时钟信号上有随机噪声，会表现在频谱图上。如果时钟信号上有确定的误差信号，这个信号会与ADC的输入信号混合在一起，在频谱图上表现为杂散。
设计师必须考虑时钟抖动的两个重要因素。其一是ADC的孔径延迟，其二是外部输入时钟的抖动。这两个因素共同产生的抖动影响ADC的采样误差。
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