中心議題

• 濾波采樣時鐘測量
• 未濾波采樣時鐘試驗(yàn)
• 如何正確地估算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的SNR

解決方案：

• 最佳的時鐘解決方案

引言

本系列文章共三個部分，第 1 部分重點(diǎn)介紹了如何準(zhǔn)確地估算某個時鐘源的抖動，并將其與 ADC 的孔徑抖動組合。在本文即第 2 部分中，這種組合抖動將用于計(jì)算 ADC 的信噪比 (SNR)，之后將其與實(shí)際測量情況進(jìn)行比較。

濾波采樣時鐘測量

我們做了一個試驗(yàn)，目的是檢查測得時鐘相位噪聲與提取自 ADC 測得 SNR 的時鐘抖動的匹配程度。如圖 11 所示，一個使用 Toyocom 491.52-MHz VCXO 的 TI CDCE72010 用于產(chǎn)生 122.88-MHz 采樣時鐘，同時我們利用 Agilent 的 E5052A 來對濾波相位噪聲輸出進(jìn)行測量。利用一個 SNR 主要受限于采樣時鐘抖動的輸入頻率對兩種不同的 TI 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADS54RF63 和 ADS5483）進(jìn)行評估。快速傅里葉變換 (FFT) 的大小為 131000 點(diǎn)。
 

圖 11 濾波后時鐘相關(guān)性測試裝置結(jié)構(gòu)

圖 12 所示曲線圖描述了濾波后 CDCE72010 LVCMOS 輸出的測得輸出相位噪聲。131000 點(diǎn)的 FFT 大小將低積分帶寬設(shè)定為 ~500 Hz。積分上限由帶通濾波器設(shè)定，其影響在相位噪聲曲線圖中清晰可見。超出曲線圖所示帶通濾波器限制的相位噪聲為 E5052A 的噪聲底限，不應(yīng)包括在抖動計(jì)算中。濾波后相位噪聲輸出的積分帶來 ~90 fs 的時鐘抖動。
 

圖 12 濾波后時鐘的測得相位噪聲

接下來，我們建立起了熱噪聲基線。我們直接從 ~35 fs 抖動的時鐘源生成器使用濾波后采樣時鐘對兩種 ADC 采樣，而 CDCE72010 被繞過了。將輸入頻率設(shè)定為 10 MHz，預(yù)計(jì)對時鐘抖動 SNR 無影響。然后，通過增加輸入頻率至 SNR 主要為抖動限制的頻率，確定每個 ADC 的孔徑抖動。由于采樣時鐘抖動遠(yuǎn)低于估計(jì) ADC 孔徑抖動，因此計(jì)算應(yīng)該非常準(zhǔn)確。另外還需注意，時鐘源的輸出振幅應(yīng)會增加（但沒有多到超出 ADC 的最大額定值），從而升高時鐘信號的轉(zhuǎn)換率，直到 SNR 穩(wěn)定下來為止。
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我們知道時鐘源生成器濾波后輸出的外部時鐘抖動為 ~35 fs，因此我們可以利用測得的 SNR 結(jié)果，然后對第 1 部分（請參見參考文獻(xiàn) 1）中的方程式 1、2 和 3 求解孔徑抖動值，從而計(jì)算得到 ADC 孔徑抖動，請參見下面的方程式 4。表 3 列舉了每種 ADC 測得的 SNR 結(jié)果以及計(jì)算得孔徑抖動。
 

表 3 測得的 SNR 和計(jì)算得抖動

 

利用 ADC 孔徑抖動和 CDCE72010 的采樣時鐘抖動，可以計(jì)算出 ADC 的SNR，并與實(shí)際測量結(jié)果對比。使用 ADC 孔徑抖動可以通過測得 SNR 值計(jì)算出 CDCE72010 的采樣時鐘抖動，如表 4 所列。乍一看，預(yù)計(jì) SNR 值有些接近測得值。但是，將兩種 ADC 計(jì)算得出的采樣時鐘抖動與 90 fs 測得值對比時，出現(xiàn)另一幅不同的場景，其有相當(dāng)多的不匹配。

不匹配的原因是，計(jì)算得出的孔徑抖動是基于時鐘源生成器的快速轉(zhuǎn)換速率。CDCE72010 的 LVCMOS 輸出消除了時鐘信號的高階諧波，其有助于形成快速升降沿。圖 13 所示波形圖表明了帶通濾波器急劇降低未濾波 LVCMOS 輸出轉(zhuǎn)換速率，以及將方波轉(zhuǎn)換為正弦波的過程。
 

圖 13 時鐘抖動對采樣時鐘轉(zhuǎn)換速率的影響

表 4 90-fs 時鐘抖動的 SNR 結(jié)果

 

改善轉(zhuǎn)換速率的一種方法是：在 CDCE72010 的 LVCMOS 輸出和帶通濾波器之間添加一個具有相當(dāng)量增益的低噪聲 RF 放大器，參見圖 14。該放大器應(yīng)該放置于濾波器前面，這樣便可以將其對時鐘信號的噪聲影響程度限定在濾波器帶寬，而非 ADC 的時鐘輸入帶寬。由于下一個試驗(yàn)的放大器具有 21 dB 的增益，因此我們在帶通濾波器后面增加了一個可變衰減器，旨在匹配濾波后 LVCMOS 信號到時鐘生成器濾波后輸出的轉(zhuǎn)換速率。該衰減器可防止 ADC 的時鐘輸入超出最大額定值。
 

圖 14 帶通濾波器前面添加 RF 放大器來降低轉(zhuǎn)換速率

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通過在時鐘輸入通路中安裝低噪聲 RF 放大器，兩個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器重復(fù)進(jìn)行了高輸入頻率的 SNR 測量，其結(jié)果如表 5 所示。我們可以看到，測得 SNR 和預(yù)計(jì) SNR 匹配的非常好。使用下面的方程式 5，計(jì)算得到的時鐘抖動值在 90-fs 時鐘抖動的 5 fs 以內(nèi)，其結(jié)果通過相位噪聲測得推導(dǎo)得出。
 

表 5 90-fs 時鐘抖動和 RF 放大器的 SNR 結(jié)果

 

未濾波采樣時鐘試驗(yàn)

為了強(qiáng)調(diào)濾波采樣時鐘的重要性，在下一個試驗(yàn)中，我們將時鐘帶通濾波器從 CDCE72010 輸出端去除。在圖 15 所示結(jié)構(gòu)中，我們使用了 E5052A 相位噪聲分析儀來捕獲時鐘相位噪聲。但是不幸的是，該分析儀對相位噪聲的測量僅達(dá)到　 40-MHz 載波頻率偏移，并且在這點(diǎn)以外沒有給出任何相位噪聲特性的相關(guān)信息。
 

圖 15 未濾波采樣時鐘輸入的測試裝置結(jié)構(gòu)

要設(shè)定使用未濾波時鐘時的正確積分上限，我們必須再一次復(fù)習(xí)一下采樣理論。CDCE72010 的未濾波時鐘輸出看起來像一種具有快速升降沿的方波，而其升降沿由時鐘頻率的基頻正弦波高階諧波引起。這些諧波的振幅比基頻低，且其振幅隨諧波階增加而下降。

在采樣時間，基頻正弦波及高階諧波與輸入信號混頻，如圖 16 所示。（為了簡單起見，僅顯示了一個諧波。）因此，三階諧波周圍的相位噪聲與輸入信號混頻，而第三諧波也形成一個混頻結(jié)果。但是，由于時鐘信號的第三諧波的振幅更低，因此該混頻結(jié)果的振幅也被降低。
 

圖 16 采樣時間時鐘基頻及其諧波與輸入信號混頻

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兩個采樣信號組合在一起時，我們可以看到，一旦振幅差異超出 ~3 dB 時，由第三諧波引起的總相位噪聲減弱為最小。由于基頻和第三諧波之間的交叉點(diǎn)為 2 × fs，將寬帶相位噪聲積分至 2 × fs 可以得到相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果。

如后面圖 19 所示，CDCE72010 的未濾波 LVCMOS 輸出相位噪聲在 –153 dBc/Hz 附近穩(wěn)定，其始于 ~10 MHz 偏移頻率，原因可能是 LVCMOS 輸出緩沖器的熱噪聲。ADS54RF63 EVM 具有 ~1 GHz（受限于變壓器）的時鐘輸入帶寬；因此理論上而言，應(yīng)該可以對相位噪聲求積分為 ~1GHz（在900-MHz 偏移頻率的 3dB 時下降）。這會帶來 ~1.27 ps 的采樣時鐘抖動，并將 fIN = 1GHz 的 SNR 降至 ~42.8 dBFS!
 

圖 17 低通濾波器前面添加RF放大器來降低轉(zhuǎn)換速率

圖 18 不同低通濾波器限制相位噪聲

 
圖 19 外推 (extrapolate) 123-MHz 偏移頻率的未濾波相位噪聲

 
實(shí)際 SNR 測量結(jié)果比表 6 所列要好不少。對比實(shí)際測量結(jié)果，計(jì)算得時鐘抖動和 SNR 之間存在巨大的差異。這表明，LVCMOS 輸出的相位噪聲實(shí)際較好地限定在由變壓器決定的 900-MHz 偏移頻率界限以內(nèi)。[page]
 

表 6 1.27-ps 時鐘抖動的 SNR 結(jié)果

 

為了證明未濾波時鐘信號的相位噪聲需要積分至約兩倍采樣頻率，我們實(shí)施了如下試驗(yàn)：在 CDCE72010 輸出和 ADS54RF63 時鐘輸入之間添加不同的低通濾波器。

需要注意的是，與先前試驗(yàn)中的帶通濾波器一樣，3X 時鐘頻率以下帶寬的低通濾波器降低了時鐘信號的轉(zhuǎn)換速率。低通濾波器消除了會產(chǎn)生更快速時鐘信號升時間和轉(zhuǎn)換速率的高階諧波，從而增加了 ADC 的孔徑抖動。正因如此，我們將前面試驗(yàn)的相同低噪聲 RF 放大器添加到時鐘通路，并且利用可變衰減器讓轉(zhuǎn)換速率匹配信號生成器（參見圖 17）。

將不同轉(zhuǎn)角頻率的低通濾波器用于 ADS54RF63 的采樣時鐘（如圖 18 所示），得到了一些如表 7 所列有趣值。該試驗(yàn)結(jié)果表明，LVCMOS 輸出對時鐘抖動的相位噪聲影響被限制在約 200 到 250 MHz，其相當(dāng)于 122.88-MHz 時鐘信號的 80-MHz 到 130-MHz 偏移頻率，并約為 2x 采樣頻率。因此，將寬帶相位噪聲擴(kuò)至 123-MHz 偏移頻率，會產(chǎn)生 ~445 fs 的時鐘抖動，如圖 19 所示。理想情況下，積分下限應(yīng)該位于 500 Hz 處（原因是選擇的 131000點(diǎn)FFT）；但是，500-Hz 到 1 kMz 偏移頻率的抖動貢獻(xiàn)值極其低，因此為了簡單起見其在本測量中被忽略。
 

表 7 ADS54RF63 的測得 SNR

 

利用調(diào)節(jié)后的相位噪聲曲線圖，計(jì)算得抖動較好地匹配了 SNR 測量結(jié)果，其在 ADS54RF63 和 ADS5483 的 10 到 30 fs 范圍內(nèi)（參見表 8）?？紤]到在第三諧波周圍可能存在相位噪聲的較小時鐘抖動影響，該計(jì)算得 SNR 只是一種非常接近的估算結(jié)果。
 

表 8 445-fs 時鐘抖動的 SNR 結(jié)果

 

表 9 濾波后及未濾波時鐘的測得SNR

 

結(jié)論

本文介紹了使用某個濾波或未濾波時鐘源時，如何正確地估算數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的 SNR。表 9 概括了得到的結(jié)果。盡管時鐘輸入的帶通濾波器對于最小化時鐘抖動是必要的，但實(shí)驗(yàn)表明它會降低時鐘轉(zhuǎn)換速率，并使 ADC 的孔徑抖動降級。因此，最佳的時鐘解決方案應(yīng)包括一個限制相噪影響的帶通濾波器，以及一定的時鐘振幅放大和轉(zhuǎn)換速率，目的是最小化 ADC 的孔徑抖動。

本系列文章的第 3 部分將介紹一些如何提高現(xiàn)有時鐘解決方案性能的實(shí)用實(shí)施方法。