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Why,?How,?一文為你深度分析時鐘抖動,!

2020-01-23
來源: 亞德諾半導(dǎo)體
關(guān)鍵詞: 時鐘抖動 ADC

  時鐘接口閾值區(qū)間附近的抖動會破壞ADC的時序。例如,,抖動會導(dǎo)致ADC在錯誤的時間采樣,造成對模擬輸入的誤采樣,,并且降低器件的信噪比(SNR),。降低抖動有很多不同的方法,但是,,在get降低抖動的方法前我們必須找到抖動的根本原因,!

  時鐘抖動,why,?

  時鐘抖動的根本原因就是時鐘和ADC之間的電路噪聲,。隨機(jī)抖動由隨機(jī)噪聲引起,主要隨機(jī)噪聲源包括

  熱噪聲(約翰遜或奈奎斯特噪聲),,由載流子的布朗運(yùn)動引起,。

  散粒噪聲,與流經(jīng)勢壘的直流電流有關(guān),,該勢壘不連續(xù)平滑,,由載流子的單獨流動引起的電流脈沖所造成。

  閃爍噪聲,,出現(xiàn)在直流電流流動時,。該噪聲由攜帶載流子的半導(dǎo)體中的陷阱引起,這些載流子在釋放前通常會形成持續(xù)時間較短的直流電流,。

  爆裂噪聲,,也稱爆米花噪聲,由硅表面的污染或晶格錯位造成,,會隨機(jī)采集或釋放載流子,。

  ps.以上噪聲我們曾將詳細(xì)講解過,有興趣的筒子點擊藍(lán)色字體查看~

  查看時鐘信號噪聲,,how,?

  確定性抖動由干擾引起,,會通過某些方式使閾值發(fā)生偏移,通常受器件本身特性限制,。查看時鐘信號噪聲通常有三種途徑:時域、頻域,、相位域,。

  咳咳,敲黑板劃重點,,以上三種途徑的具體方法如下↓↓↓

  時域圖

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  圖1. 抖動的時域圖

  時鐘抖動是編碼時鐘的樣本(不同周期)間的變化,,包括外部和內(nèi)部抖動。抖動引起的滿量程信噪比由以下公式得出

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  舉個栗子,,頻率為1 Ghz,,抖動為100 FS均方根值時,信噪比為64 dB,。在時域中查看時,,x軸方向的編碼邊沿變化會導(dǎo)致y軸誤差,幅度取決于邊沿的上升時間,??讖蕉秳訒贏DC輸出產(chǎn)生誤差,如圖2所示,。抖動可能產(chǎn)生于內(nèi)部的ADC,、外部的采樣時鐘或接口電路。

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  圖2. 孔徑抖動和采樣時鐘抖動的影響

  圖3顯示抖動對信噪比的影響,。圖中顯示了5條線,,分別代表不同的抖動值。x軸是滿量程模擬輸入頻率,,y軸是由抖動引起的信噪比,,有別于ADC總信噪比。

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  圖3. 時鐘抖動隨模擬信號增大而提升信噪比

  由抖動引起的信噪比和有效位數(shù)(ENOB)的關(guān)系由以下公式定義:

  SNR = 6.02 N + 1.76 dB

  其中N =有效位數(shù),。滿量程100 MHz輸入時,,14位有效位數(shù)要求均方根抖動不超過0.125 ps或125 fs。該公式假定ADC具有無限分辨率,,其中的唯一誤差是由時鐘抖動產(chǎn)生的噪聲,。

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  圖4. 由抖動產(chǎn)生的理論信噪比和有效位數(shù)與滿量程正弦波模擬輸入頻率的關(guān)系

  頻域圖

  近載波噪聲出現(xiàn)在采樣時鐘中心頻率和等于信號帶寬一半的單邊帶(SSB)失調(diào)之間。寬帶噪聲的范圍從單邊帶失調(diào)到?時鐘接收器帶寬,。

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  圖5. 頻域圖

  時間的乘法運(yùn)算是在頻域中進(jìn)行卷積,。因此,時鐘上在頻域上的任何“裙邊”都會施加于數(shù)字信號,。這會增加信號的EVM,,降低整體性能,。卷積到采樣信號上的噪聲量取決于模擬頻率與采樣頻率的關(guān)系。

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  圖6.卷積到采樣信號上的噪聲取決于模擬頻率和采樣頻率的關(guān)系

  相位域圖

  相位噪聲由每個時鐘周期之間的時間變化引起,。最終結(jié)果是時鐘信號在基波頻率周圍變化,,這一頻率范圍變化會降低ADC的信噪比。

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  圖7.抖動的相位域圖

  圖8所示的例子中,,?66 dBc的雜散增加到78 MHz時鐘上,,用來將ADC采樣控制在30.62 MHz模擬信號。

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  圖8. 使用噪聲時鐘采樣時的30.62 MHz信號

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  雜散為?74.1 dBc,,按以下公式計算:

  時鐘設(shè)計人員通常會提供一個相位噪聲,,但不提供抖動規(guī)格。相位噪聲規(guī)格可以轉(zhuǎn)換為抖動,,首先確定時鐘噪聲,,然后通過小角度計算將噪聲與主時鐘噪聲成分進(jìn)行比較。相位噪聲功率通過計算圖9中的灰色區(qū)域積分得出,。

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  圖9. 對編碼帶寬的近載波到時鐘輸出噪聲進(jìn)行積分計算

  高度為?160 dBc,,寬度為10 KHz至245.76 MHz。因此,,

  10×log(245.7e6 ? 10e3)

  = 83.9 dB,,?160 + 83.9 dB

  = 76.1 dBc

  得出積分噪聲。

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  載波的失調(diào)不同,,噪聲的斜率也不同,。例如,A1區(qū)域通常為1/f噪聲,,而A4區(qū)域則視為寬帶噪聲,。

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  圖10.在頻率范圍內(nèi)的噪聲變化情況

  A =面積=積分相位噪聲功率(dBc)抖動可以通過對編碼帶寬的近載波到時鐘輸出的噪聲進(jìn)行積分計算確定。頻率范圍應(yīng)分為較小的頻帶,,然后相加得到總的結(jié)果:A = 10 log10 (A1 + A2 + A3 + A4)


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