設(shè)計(jì)中選擇高分辨率ADC時(shí)，經(jīng)常需要了解一些數(shù)據(jù)手冊中通常可能不會公布的特性數(shù)據(jù)，例如，全部代碼范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換器噪聲性能。在數(shù)據(jù)手冊中，您不一定能找到這一規(guī)格。幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有一款工具可以分析ADC的這些數(shù)據(jù)以及其他參數(shù)，并從系統(tǒng)角度出發(fā)評估轉(zhuǎn)換器的真正性能。

ATE系統(tǒng)制造商LTX-Credence (LTXC)開發(fā)了“特征分析”工具集，可分析諸如AD7960之類的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品；這類產(chǎn)品針對高端儀器儀表和ATE設(shè)計(jì)。該工具集設(shè)計(jì)用于需要仔細(xì)分析傳遞函數(shù)或根據(jù)全部代碼(而非典型短路輸入)范圍內(nèi)或處于其他幾個(gè)獨(dú)特的轉(zhuǎn)換器電平時(shí)的性能直接測量輸出的系統(tǒng)。

選擇ADC時(shí)，您可能需要整體考慮ADC效率、功耗、尺寸和價(jià)格。此外，還應(yīng)密切注意奈奎斯特帶寬內(nèi)的靜態(tài)和動態(tài)性能。本文介紹的工具集有助于了解數(shù)據(jù)手冊之外的內(nèi)容，幫助您在新系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shù)模轉(zhuǎn)換器)技術(shù)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(zhuǎn)換開始后大約100 ns內(nèi)返回采集模式，并且其采集時(shí)間約為總周期時(shí)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(shí)間卻基本相等。這使得AD7960易于驅(qū)動，并降低ADC驅(qū)動器的建立時(shí)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的快速采樣(200 ns)性能，同時(shí)降低多通道應(yīng)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(huán)路的一部分。

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

自時(shí)鐘模式利用主機(jī)處理器簡化接口，允許接頭采用復(fù)雜時(shí)序同步每次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。每個(gè)系統(tǒng)中使用很多ADC，同時(shí)又有各種電路板空間、功耗和布局布線方面的限制時(shí)，該模式特別有益。若要讓數(shù)字主機(jī)采集數(shù)據(jù)輸出，則需要用到接頭，因?yàn)閿?shù)據(jù)不存在時(shí)鐘輸出同步。每個(gè)系統(tǒng)中使用幾個(gè)ADC，并且不存在任何電路板空間或功耗限制時(shí)，回波時(shí)鐘模式很有用。該模式提供穩(wěn)定的時(shí)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(shí)鐘模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，5 MSPS速率的功耗僅為39 mW；而在回波時(shí)鐘模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，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(yīng)用。極低采樣速率下的功耗主要由LVDS靜態(tài)功率所決定。

圖2. AD7960功耗與吞吐速率的線性關(guān)系

AD7960系列允許使用三個(gè)外部基準(zhǔn)電壓源選項(xiàng)中的任意一個(gè)：2.048 V、4.096 V和5 V。片內(nèi)緩沖器使2.048 V基準(zhǔn)電壓翻倍，因此轉(zhuǎn)換等效于4.096 V或5 V。

特征分析工具集

為了獲得傳統(tǒng)數(shù)據(jù)手冊以外的數(shù)據(jù)，我們將簡單演示特征分析工具集與ADC交互的情況。現(xiàn)在的數(shù)據(jù)手冊無論性能數(shù)據(jù)或結(jié)構(gòu)內(nèi)容都非常相似，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器市場已經(jīng)到達(dá)了這樣一種狀態(tài)，即性能通常讓步于價(jià)格和功耗。但這些權(quán)衡取舍的代價(jià)是什么？本文重點(diǎn)說明轉(zhuǎn)換器的真實(shí)性能。

圖3. 使用特征分析工具集的數(shù)據(jù)流會產(chǎn)生多個(gè)曲線圖形

特征分析工具集使用的算法可將數(shù)據(jù)分析推至能夠評估轉(zhuǎn)換器真實(shí)性能的程度，超出傳統(tǒng)數(shù)據(jù)手冊中公布的內(nèi)容。該工具集一開始是作為LTXC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器測試模塊(DCTM)新一代組件的評估工具而開發(fā)。得益于DCTM的成功，該工具集可提供全代碼范圍內(nèi)驗(yàn)證、指定與表征轉(zhuǎn)換器的方法。DCTM和數(shù)據(jù)處理算法針對轉(zhuǎn)換器測試而開發(fā)，可讓IC制造商實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品增值。作為一流的混合信號通道卡，DCTM在評估轉(zhuǎn)換器性能以及性能、功耗和價(jià)格的權(quán)衡取舍方面超越了熟知的標(biāo)準(zhǔn)臺式儀器儀表。

特征分析工具集提供有關(guān)ADC傳遞函數(shù)的重要詳情(如圖3所示)，有助于最終用戶選擇特定的轉(zhuǎn)換器。這些詳情還能為產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)提供轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)相對理想轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生偏差的精確反饋。識別傳遞函數(shù)中的擾動并不是個(gè)陌生的概念。然而，對于系統(tǒng)開發(fā)流程而言，將產(chǎn)生擾動的位置隔離開來具有極高的價(jià)值。

評估AD7960

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

圖4. (a) INL和(b) DNL線性度曲線的AD7960靜態(tài)性能

確定AD7960和整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵因素是信號完整性以及測試設(shè)備模擬儀器的性能。查看轉(zhuǎn)換器最終結(jié)果時(shí)，信號完整性有時(shí)候會在轉(zhuǎn)換中丟失。測試的信號調(diào)理網(wǎng)絡(luò)、參考設(shè)計(jì)以及電源確實(shí)會對測得的整體性能產(chǎn)生影響，如圖5所示。

圖5. AD7960動態(tài)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(shù)據(jù)集進(jìn)行后期處理可獲得滿量程范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換器噪聲性能。LTXC開發(fā)了一種新的方式，重構(gòu)全代碼范圍內(nèi)的高分辨率轉(zhuǎn)換器噪聲，如圖6所示。

圖6. 該AD7960噪聲響應(yīng)曲線包括ADC所有代碼下的數(shù)據(jù)

為了通過公開的數(shù)據(jù)手冊增加產(chǎn)品吸引力，我們可以在ADC的全部代碼內(nèi)對轉(zhuǎn)換器噪聲性能進(jìn)行表征，而非僅針對典型短路輸入或?qū)讉€(gè)其他獨(dú)特的轉(zhuǎn)換器電平表征。這種方法可以提供轉(zhuǎn)換器以及采集系統(tǒng)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(wěn)定性，并預(yù)測SNR、其可重復(fù)性和可重現(xiàn)性，以及與代碼有關(guān)的潛在噪聲問題。目前的數(shù)據(jù)手冊并不提供這些額外數(shù)據(jù)，而它們可以幫助設(shè)計(jì)人員選擇轉(zhuǎn)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(jī)制以幫助未來的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)差異化外，它還能用作演示工具，顯示轉(zhuǎn)換器的信號完整性?？偠灾瑘D6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(yīng)。從系統(tǒng)角度而言，這一點(diǎn)在實(shí)際使用中非常重要。例如，ATE制造商在整個(gè)傳遞函數(shù)范圍內(nèi)使用轉(zhuǎn)換器，而非針對單個(gè)代碼方式使用，這使得轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)級設(shè)計(jì)人員而言更具吸引力。

如同采用AD7960的實(shí)例，圖6未顯示明顯的傳遞函數(shù)偏差或任何特定的不連續(xù)性，因此證明了系統(tǒng)的性能。進(jìn)一步研究圖6中的噪聲曲線，便可以通過下式推導(dǎo)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(jì)算得到的100.7 dB噪聲水平相差在1.5 dB以內(nèi)。此外，工具集還具有信息后期處理能力，提供AD7960真實(shí)性能的更佳視圖。

結(jié)論

在權(quán)衡關(guān)鍵的性能、功耗和價(jià)格等指標(biāo)時(shí)，評估高端轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)人員將會發(fā)現(xiàn)這類結(jié)果對于轉(zhuǎn)換器的選型而言極具價(jià)值。使用特征分析工具集，您可以直觀地查看傳統(tǒng)數(shù)據(jù)手冊以外的規(guī)格，同時(shí)識別反饋的關(guān)鍵參數(shù)性能指標(biāo)，改善并驗(yàn)證新一代儀器儀表設(shè)計(jì)。