Comprendere i metrici di performance ADC

Per ottimizzare le prestazioni ADC per gli oscilloscopi ad alta frequenza e le apparecchiature di prova, gli ingegneri devono prima padroneggiare le specifiche chiave che definiscono la qualità del convertitore.

Strategie chiave per ottimizzare le prestazioni ADC

Ottimizzare le prestazioni ADC in apparecchiature di test ad alta frequenza richiede un approccio multiforme che si rivolge sia al convertitore stesso che al circuito circostante.Le seguenti strategie, ampliate dal profilo originale, forniscono un quadro completo per raggiungere la massima gamma dinamica, linearità e fedeltà di misura.

1. Selezione dell'ADC destro per l'applicazione

Per gli oscilloscopi, la frequenza di campionamento dovrebbe essere almeno il doppio della larghezza di banda (Nyquist rate), ma in pratica, un fattore di tre a cinque è comune per catturare forme d'onda non-sinusoidale e ridurre gli artefatti alias. La risoluzione varia tipicamente da 8 a 12 bit per gli ambiti di alta velocità;

2. Migliorare l'integrità del segnale attraverso il condizionamento

L’integrità del segnale inizia alla punta della sonda e si estende all’ingresso dell’ADC. Utilizzare sonde attive con capacità di ingresso bassa e larghezza di banda elevata per ridurre al minimo il caricamento. Mantenere il percorso del segnale il più breve possibile; ogni millimetro di traccia del PCB aggiunge induttanza e può creare errori di impedenza che causano riflessi e ringing.

3. Ridurre Jitter orologio per SNR più alto

Il rapporto tra jitter e SNR è dato da SNR (dB) ≈ 20 log10(1 / (2π fin σt)), dove l'orologio medio è la frequenza di ingresso e σt è il livello più basso di jitter. Per un segnale 1 GHz con 100 fs jitter, il valore teorico SNR minimizza il valore

4. Ottimizzazione dell'alimentazione e del messa a terra

I dispositivi di distribuzione ADC offrono un elevato livello di potenza, con un elevato livello di potenza (LDO) e un elevato rapporto di reiezione (PSRR) per fornire ogni pin di alimentazione ADC singolarmente.

5. PCB Considerazioni di layout per ADC ad alta velocità

Per ottenere un'applicazione di tipo ADC, è necessario che i campioni di corrente siano collegati a un sistema di rilevamento di velocità elevata.

6. Impiegare l'etere e la Randomizzazione

Il dithering è una tecnica in cui una piccola quantità di rumore (o un segnale pseudo-random) viene aggiunta all'ingresso ADC prima della quantizzazione. Questo rompe i modelli di errore di quantizzazione coerente, riduce la distorsione armonica e migliora SFDR, soprattutto per i segnali di piccole dimensioni.

7. Calibrazione e Compensazione

Anche i migliori sistemi di calibrazione ADC hanno bisogno di soluzioni non ideali, come offset, errore di guadagno e non linearità. La calibrazione digitale può correggere questi errori in tempo reale. Molti ADC ad alta velocità includono routine di autocalibrazione integrate che funzionano a power-up o quando attivato da un comando.

8. ADC interlanciato tempo

Per ottenere tassi di campionamento oltre a quello che un singolo ADC può fornire, gli oscilloscopi spesso utilizzano una serie di N ADC in una configurazione interleaved time (TI‐ADC).

Considerazioni avanzate per applicazioni ad alta frequenza

Zone sottocampo e Nyquist

Per le misurazioni del dominio di frequenza (ad esempio, analisi dello spettro), gli ingegneri a volte impiegano sottocampo, dove la frequenza di campionamento è inferiore al doppio della larghezza di banda del segnale, ma lo spettro del segnale è piegato in una zona conosciuta di Nyquist. Questa tecnica richiede un filtro anti-aliasing ad alte prestazioni per rifiutare i segnali da zone non desiderate.

Gestione degli errori di temporizzazione (Sampling Jitter e Aperture Uncertainty)

Come notato in precedenza, il jitter di apertura è una fonte di errore dominante a frequenze di ingresso elevate. Oltre al jitter di clock, l'incertezza di apertura dell'ADC (la variazione all'interno dell'interruttore di campionamento) aggiunge al totale.

Verifica e test pratici

Dopo aver implementato queste strategie di ottimizzazione, verificare le prestazioni di ADC utilizzando metodi di prova standard: misurare SFDR con un'onda di sine monotono, valutare SNR e SINAD sulla gamma di frequenza di input e testare la linearità con un test di intermodulazione dual-tone.

Conclusioni

L'ottimizzazione delle prestazioni ADC per gli oscilloscopi ad alta frequenza e le apparecchiature di test richiede un approccio sistematico che abbraccia la selezione dei componenti, il condizionamento del segnale, l'integrità dell'orologio, la gestione della potenza, la disciplina del layout e la calibrazione avanzata.