和一個(gè)產(chǎn)品的任何其他方面一樣，產(chǎn)品說明書也可以得到不斷的改進(jìn)，廠商正努力地詳細(xì)闡明產(chǎn)品說明書1。然而，市場(chǎng)上已經(jīng)遺留了許多產(chǎn)品/產(chǎn)品說明書版本,，對(duì)新版本或者更早的版本來說，不同標(biāo)準(zhǔn)的采用也取決于不同的因素,。即使有一些特定的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)公開發(fā)表（如參考書目2所提到的）,，標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一仍然是遙遙無期。

　　本文的目的就在于突出不同廠商或同一廠商在為不同的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)撰寫產(chǎn)品說明書時(shí)所采用的標(biāo)準(zhǔn)之間的差異,。表1是選擇正確器件時(shí)可以使用的速查表,。

表1選擇高速ADC的速查表

　　dB、dBc與dBFS的比較

　　評(píng)估高速ADC產(chǎn)品說明書所示性能的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)是動(dòng)態(tài)特性或諸如SNR,SINAD,、THD以及SFDR的交流可調(diào)規(guī)范,。例如，假設(shè)SINAD（也稱為SNDR或SNRD）為信噪比,，即信號(hào)功率與其他頻段功率（失真與噪聲）總和的比值,。通常,，把這個(gè)比值轉(zhuǎn)換成對(duì)數(shù)值并以dB表示。

　　產(chǎn)品說明書間最大的差異在于單位的選擇,，特別應(yīng)用于選擇信號(hào)功率的標(biāo)準(zhǔn),。撇開導(dǎo)致這種差異的細(xì)節(jié)，我們來看一下信號(hào)功率完全可以用于測(cè)量的信號(hào)功率3,，或者可以是類似滿量程的信號(hào)的外推功率,。為了避免混淆，TI將第一種情況下的單位記作dBc（dB與載波的比）,，將第二種情況記作dB（用于較早的產(chǎn)品說明書）或dBFS（dB與滿量程的比,，用于最新的產(chǎn)品說明書）。雖然兩者之間沒有主次之分,，并且下文將說明它們之間可以彼此推導(dǎo),，但是當(dāng)廠商只以“dB”為單位進(jìn)行說明的時(shí)候還是會(huì)產(chǎn)生混淆,。在TI的兩家競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手撰寫的產(chǎn)品說明書中,，“dB”等于dBc，而在第三家競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手撰寫的產(chǎn)品說明書中,，“dB”等于dBFS,。

　　什么因素會(huì)影響最終的比較結(jié)果呢？假設(shè)以－1dBFS的輸入振幅測(cè)量來自不同廠商的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器,。這就意味著在測(cè)試期間,，輸入值是在滿量程以下1dB的正弦曲線，換句話說,，振幅(A)約為ADC滿動(dòng)態(tài)量程的90%,。再假設(shè)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器性能相同，因此具有相同的噪聲與失真功率,。在第一種情況下（“dB”等于dBc）,，廠商用輸入功率(A)除以噪聲加失真功率(N＋D)來計(jì)算信噪比SINAD1。在第二種情況下（“dB”等于dBFS）,，廠商推導(dǎo)信號(hào)功率至滿量程,，在這種情況下導(dǎo)致最終的數(shù)值增加了1dB（當(dāng)輸入為－1dBFS時(shí)）。因此,，SINAD2=SINAD1+1,。第一家廠商的器件看起來似乎差了1dB，但實(shí)際上與第二家廠商的器件是相同的,。dBc的值可以從dBFS值求得,，只要加上輸入振幅（以dBFS為單位）：以dBc為單位的規(guī)范＝以dBFS為單位的規(guī)范＋以dBFS為單位的AIN。

　　當(dāng)我們比較以dBc規(guī)范表示的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器時(shí),，另一點(diǎn)值得注意的是輸入振幅也會(huì)因器件的不同而不同,。很顯然,，隨著輸入振幅的減小，信號(hào)值（在dBc規(guī)范中）也極可能變得很?。ㄒ?yàn)樾盘?hào)功率減小時(shí)一些噪聲底限的組成卻保持不變）,。因此，為了使之比較有意義,，兩個(gè)輸入振幅必須相等,。只要將兩個(gè)輸入振幅的差異添加到由較小的輸入振幅獲得規(guī)范，就可以做出很好的推斷,。

　　顯然由于大多數(shù)轉(zhuǎn)換器的規(guī)定信號(hào)都接近于滿量程,，最后信號(hào)水平的差異（取決于所使用的單位）通常不會(huì)大于2dB。但是信號(hào)水平的差異不僅可以代表某些應(yīng)用相當(dāng)大的差異,，而且還會(huì)影響最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)的增益甚至影響整個(gè)設(shè)計(jì),。

　　最終的問題是如何分辨ADC產(chǎn)品說明書中的dB是dBc規(guī)范還是dBFS規(guī)范。一個(gè)最簡(jiǎn)單的方法是直接詢問廠商,；如果行不通,，設(shè)計(jì)人員可以查看產(chǎn)品說明書的典型性能的曲線圖部分。廠商通常都會(huì)針對(duì)dBc和dBFS規(guī)范給出不同的曲線圖,，可以根據(jù)曲線圖的數(shù)值與產(chǎn)品說明書中規(guī)定的數(shù)值進(jìn)行比較,。

　　功耗規(guī)范

　　功耗是產(chǎn)品說明書的另一個(gè)常見的差異點(diǎn)。TI習(xí)慣上在產(chǎn)品說明書的首頁列出典型工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)換器的總功耗,。這些狀態(tài)包括在最高采樣速率下的輸入差與低頻或直流的比較,，以及在數(shù)字側(cè)每一引腳上施加10-pF的負(fù)載。當(dāng)然,，TI也開始分離內(nèi)核功耗（模擬,，AVDD）與數(shù)字供電損耗（輸出DVDD）。這主要是因?yàn)槠渌麖S商幾乎都只標(biāo)注了模擬功耗而不包括接口功耗,。一些廠商在產(chǎn)品說明書里列出了接口功耗,，但是用戶必須注意一些測(cè)量條件，例如輸入頻率,，每個(gè)引腳的輸出負(fù)載以及輸出電壓,，這些都會(huì)顯著的影響測(cè)量值。

　　此外,，還必須特別注意ADC可能有的特有模式,。并不只是TI的產(chǎn)品說明書存在這種情況，一些廠商的轉(zhuǎn)換器在模式A下進(jìn)行功耗測(cè)量并在產(chǎn)品說明書中列出,，但是其他動(dòng)態(tài)規(guī)范卻在模式B下給出,。再例如，對(duì)于那些可承受較寬數(shù)字電源電壓的轉(zhuǎn)換器而言,，產(chǎn)品說明書在最高DVDD電壓下給出時(shí)序規(guī)范,，但卻在最低DVDD電壓下給出功耗值,。

　　最后，還必須注意轉(zhuǎn)換器對(duì)功率的貢獻(xiàn),。一些轉(zhuǎn)換器可能以丟失內(nèi)部信息為代價(jià)來節(jié)省功率損耗,，例如接受差動(dòng)時(shí)鐘（為了實(shí)現(xiàn)更低的噪聲/抖動(dòng)）所需要的參考電壓或時(shí)鐘放大器、諸如PECL或LVDS的小擺幅時(shí)鐘電平,，或者截平濾波時(shí)鐘（正弦曲線）,。這個(gè)問題將在下文進(jìn)一步闡述。

　　時(shí)鐘信號(hào)

　　為了獲得最佳的ADC性能4,，時(shí)鐘信號(hào)是最令人擔(dān)心的問題,。雖然所有的ADC都有一個(gè)時(shí)鐘輸入端，但其中一些要比另一些更容易使用,。最關(guān)鍵的問題是時(shí)鐘抖動(dòng),、占空比以及必須的時(shí)鐘電平，當(dāng)用高輸入頻率進(jìn)行采樣時(shí),，能夠大體上獲得較好的性能參數(shù),。

　　為了實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng)，用戶通常使用帶通濾波器過濾時(shí)鐘信號(hào)來達(dá)到該目的,。這還將產(chǎn)生50%的占空比,，接近于許多ADC的最佳條件,。不過,，由于該濾波器的插入損耗時(shí)鐘信號(hào)振幅將受到影響，且時(shí)鐘信號(hào)將變成正弦曲線而不是方波,。為了接收高質(zhì)量的時(shí)鐘信號(hào),，TI和其他一些廠商在ADC的輸入端添加了時(shí)鐘放大器。它的作用是將正弦曲線修正成方波并為內(nèi)部電路的時(shí)鐘循環(huán)提供所需的增益,。此外,，時(shí)鐘放大器還提供了差動(dòng)接口，能夠減小時(shí)鐘信號(hào)線路中噪聲耦合的影響,，從而減小抖動(dòng),。當(dāng)然，這是以增加ADC的功耗為代價(jià)的,。

　　然而,，一些ADC可能還需要CMOS電平的方波時(shí)鐘信號(hào)。這類ADC的輸入必須是單端口的,，而且能夠抑制外部噪聲源與時(shí)鐘路徑耦合,。大部分此類ADC是為了對(duì)低輸入頻率（50MHz以下）進(jìn)行采樣并且能夠獲得很好的性能。醫(yī)學(xué)超聲波就是此類ADC的一種典型應(yīng)用,。不過,，用戶在更高的輸入頻率（例如通訊應(yīng)用中）下為了獲得高信噪比（大于60s）,，就需要提供外部元件來使時(shí)鐘信號(hào)變成方波，并有效地增大功率與電路板面積,。即使有了這些外部元件,，用戶仍然必須考慮單端接口，而且最終的設(shè)計(jì)很可能不能獲得ADC采用內(nèi)部時(shí)鐘放大器時(shí)所能達(dá)到的最優(yōu)性能,。

　　為了提供一致的產(chǎn)品說明書,，TI在相同時(shí)鐘條件下的產(chǎn)品說明書中使用了相同的圖表與性能參數(shù)。對(duì)于具有差動(dòng)輸入時(shí)鐘信號(hào)的器件而言,，通常采用正弦曲線,，雖然它并不是ADC的最佳條件（由于時(shí)鐘邊緣壓擺率的限制）。為了涵蓋轉(zhuǎn)換器所有可能的應(yīng)用情況,，TI開始在產(chǎn)品說明書中引入了3D等高線圖表（請(qǐng)參見圖1）,，這就允許用戶可以得到在給定輸入與采樣頻率下的典型性能。我們知道,，輸入時(shí)鐘信號(hào)的所有條件在試驗(yàn)時(shí)都是保持不變的,，除非改變采樣頻率。這意味著如果使用正弦波時(shí)鐘信號(hào),，減小采樣頻率將會(huì)使時(shí)鐘邊緣變慢,，從而加劇實(shí)際的抖動(dòng)。這是每個(gè)ADC普遍存在的現(xiàn)象,，4但是TI設(shè)計(jì)的ADC能夠盡可能地將抖動(dòng)最小化,。雖然這是最壞的情況，而且減小抖動(dòng)的技術(shù)有很多種,，但是在實(shí)驗(yàn)中改變時(shí)鐘條件是不公平的,；同樣的，如果保持時(shí)鐘條件不變,，那么信噪比SNR將隨著抖動(dòng)的增加而降低,。用戶必須要知道，如果沒有時(shí)鐘放大器,，性能的降低可能更多,。此外，用戶還必須要清楚如果能夠提供一個(gè)抖動(dòng)很小的方波時(shí)鐘信號(hào),，那么ADC的性能就會(huì)有很大的提高,。

圖1SNR與輸入和采樣頻率5的曲線關(guān)系

　　輸出時(shí)序

　　為了捕捉傳輸?shù)紽PGA、ASIC,、DDC或其他跟隨ADC的邏輯器件的輸出數(shù)據(jù),，用戶必須要知道輸出數(shù)據(jù)的窗口是穩(wěn)定的。不過,，重點(diǎn)是大多數(shù)廠商均致力于提供一致且完善的產(chǎn)品說明書限制,。這是因?yàn)橛糜谏a(chǎn)的最終測(cè)試結(jié)果受一些因素的影響,，例如自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的精度、不能直接訪問輸出端（數(shù)據(jù)正在緩沖中）,、很難像產(chǎn)品說明書一樣設(shè)置相同的條件（例如數(shù)字負(fù)載）等等,。為了克服這些局限性，TI通過設(shè)計(jì)與特征化（即用統(tǒng)計(jì)方法來設(shè)置這些參數(shù)）,，當(dāng)生產(chǎn)中不對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí),，這能促使我們?cè)O(shè)置更寬的防護(hù)頻帶。而如果將相同的限制條件用于其他廠商的話,，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致不完善或不精確的產(chǎn)品說明書,。

　　設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)沒有任何質(zhì)保書的器件、有質(zhì)保書但是條件不切實(shí)際的器件（例如0-pF負(fù)載）,、沒有明確用于捕獲數(shù)據(jù)所需的參數(shù)的器件（例如,，給出了建立時(shí)間但沒有給出保持時(shí)間）、沒有說明規(guī)范所使用的VOH和VOL電平的器件（例如,，給出從50%到50%的信息,，但是要推導(dǎo)出VIH/VIL邏輯電平卻很麻煩)、或者沒有說明對(duì)整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)詳細(xì)參數(shù)的器件進(jìn)行明確的詢問,。

　　此外,，為了改進(jìn)數(shù)據(jù)捕獲窗口，TI與其他廠商均提供了一款輸出時(shí)鐘,，與輸入時(shí)鐘相比該時(shí)鐘能夠更好地跟蹤輸出數(shù)據(jù),。使用輸出時(shí)鐘可以減小應(yīng)用中的時(shí)序局限。

　　最后,，請(qǐng)注意,，建立與保持時(shí)間的定義和門電路建立與保持時(shí)間的對(duì)應(yīng)部分相同。在門電路中,，建立時(shí)間表示數(shù)據(jù)在門電路輸入端準(zhǔn)備好的時(shí)間比時(shí)鐘邊緣閉鎖它的時(shí)間提前了多少。時(shí)間提前得越多,，使用該閉鎖門電路就越困難,。在ADC中，建立時(shí)間表示數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)間比輸入或輸出ADC時(shí)鐘邊緣提前了多少,。建立時(shí)間越長(zhǎng),，捕獲數(shù)據(jù)就越容易。這些規(guī)則在保持時(shí)間上也同樣適用,。

　　過程增益

　　與SNR的兩個(gè)參數(shù)相比較,，用戶必須考慮到ADC的采樣速率。信噪比可通過對(duì)收斂于奈奎斯特曲線的總體噪聲底限進(jìn)行積分得到,。當(dāng)然,，用戶的信號(hào)只會(huì)占據(jù)一些帶寬,；只有在這個(gè)帶寬上的噪聲才會(huì)影響到信號(hào)，而其他噪聲可由數(shù)字濾波器濾除,。對(duì)于相同的SNR而言,，采樣速率高的ADC噪聲底限比較低。例如,，一個(gè)200kHz帶寬,，信噪比為90-dBFS的?∑型ADC的性能在理論上比產(chǎn)品說明書中規(guī)定的信噪比為75-dBFS、100MSPS的14位ADC——ADS5424要好,。當(dāng)然,，如果在使用ADS5424對(duì)200-kHz帶寬進(jìn)行采樣之后（明顯超過100MSPS的采樣率），我們采用數(shù)字濾波來濾除帶寬外的噪聲（從200kHz直到50MHz）,，ADS5424的等效信噪比在這一帶寬上為：

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

　　ADS5424的信噪比將明顯優(yōu)于?∑型ADC（為了示例，假設(shè)噪聲在奈奎斯特曲線上均勻分布,，也就是說沒有明顯的閃爍噪聲影響）,。前述方程式的第二項(xiàng)稱為過程增益。隨著過采樣比的增加,，用戶在相同信噪比每增加采樣率一倍,，噪聲底限就會(huì)降低3dB。換言之,，相關(guān)頻帶上的等效精度將增加0.5比特,。

　　數(shù)據(jù)適用的條件與最小值

　　如果沒有明確的條件，那么規(guī)范將是沒有意義的,。在廣告業(yè),、市場(chǎng)營(yíng)銷材料以及選擇參數(shù)表中這一點(diǎn)尤其重要，條件能夠簡(jiǎn)化產(chǎn)品說明書顯示的信息,，但在某些情況下,，并沒有提到測(cè)量條件。

　　同時(shí),，典型值通常代表了分布的平均值,。不過，用戶應(yīng)注意看一下最小值,，特別是當(dāng)器件在某一特定范圍內(nèi)工作（例如多變的溫度環(huán)境）時(shí),。在典型與最小參數(shù)之間的大范圍變化會(huì)出現(xiàn)一些問題。變化是否由最終測(cè)試結(jié)果的局限性引起,？如果是,，則該器件可能適用，但是這樣做的風(fēng)險(xiǎn)是只能保證最小值。最差的情況是器件本身所導(dǎo)致的局限性,，工藝的變化（不同器件之間）可以導(dǎo)致設(shè)計(jì)的不耐用性,。為了使器件具有較好的穩(wěn)健性并屏蔽此類問題的一個(gè)不錯(cuò)的做法是查看產(chǎn)品說明書中的典型性能變化與電源電壓或溫度的關(guān)系曲線圖，如圖2中的示例所示,。

圖2ADS5424SFDR與模擬電源和溫度范圍的關(guān)系曲線6

　　與功率參數(shù)一樣,，在相同的產(chǎn)品說明書中查找不同的參數(shù)（例如SNR和SFDR）時(shí)，必須確保它們是在相同條件下給出的參數(shù),。例如,，某些器件的SFDR模式以犧牲SNR為代價(jià)來改善SFDR；或者它們有不同的輸入范圍,，這會(huì)影響到SFDR（在較小輸入范圍內(nèi)較好）和SNR（在較大輸入范圍內(nèi)較好）,。

　　最后，需注意的是,，大多數(shù)規(guī)范在是在接近滿量程范圍內(nèi)給出的,。然而，SFDR（在dBFS規(guī)范中）在輸入振幅減小時(shí)可能變好也可能變得更糟糕,。廠商在最終測(cè)試中不能屏蔽很多條件,，因?yàn)槟菢訒?huì)增加測(cè)試時(shí)間和測(cè)試成本；但他們通常會(huì)給出說明各種條件影響的典型圖表,。

　　輸入帶寬

　　通常,，輸入帶寬代表了ADC響應(yīng)平坦度與輸入頻率的關(guān)系。其并沒有表明該器件在這些輸入頻率下能夠保持應(yīng)有的性能,。用戶必須從圖表中核實(shí)相關(guān)性能,；如果圖表中沒有，用戶必須從廠商那里尋求支持或者對(duì)器件本身進(jìn)行評(píng)估,。

　　結(jié)論

　　本文詳細(xì)說明了廠商用于編寫高速ADC產(chǎn)品說明書的規(guī)范之間的主要差異,，提早考慮這些差異有助于設(shè)計(jì)人員避免在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)突發(fā)問題。