Оптимизация производительности АЦП для высокочастотных осциллографов и испытательного оборудования

Понимание показателей производительности ADC

Для оптимизации производительности ADC для высокочастотных осциллографов и испытательного оборудования инженеры должны сначала освоить ключевые спецификации, которые определяют качество преобразователя. В то время как в оригинальной статье перечислены скорость отбора проб, разрешение, SNR и THD, более глубокое понимание дополнительных метрик - таких как эффективное количество битов (ENOB), ложный динамический диапазон (SFDR) и отношение сигнал-шум-и-искажение (SINAD) - имеет важное значение для высокоскоростных приложений. ENOB, например, отражает фактическое разрешение, достижимое при наличии шума и искажения, часто падая ниже номинального разрешения на высоких входных частотах. Джиттер диафрагмы, неопределенность в момент отбора проб, непосредственно ухудшает SNR на частотах выше нескольких сотен мегагерц. Инженеры также должны учитывать входную полосу пропускания и присущую ADC нелинейность, которая может производить гармоники, которые маскируют небольшие сигналы. Твердое понимание этих метрик, как подробно описано в отраслевых руководствах, таких как Руководство для ADC спецификаций

1.Выбор правильного ADC для приложения

Начните с выбора ADC со спецификациями, которые превышают минимальные требования вашего целевого измерения. Для осциллографов частота выборки должна быть как минимум в два раза больше полосы пропускания (скорость Никвиста), но на практике коэффициент от трех до пяти является общим для захвата несинусоидальных форм волн и уменьшения псевдонимов. Разрешение обычно колеблется от 8 до 12 бит для высокоскоростных областей; более высокие биты уменьшают шум квантования, но увеличивают время преобразования и потребление энергии. Оцените полную мощность полосы пропускания - частоту, на которой амплитуда отклика ADC падает на 3 дБ - и убедитесь, что она охватывает максимальную частоту сигнала, которую вы намереваетесь оцифровать. Также рассмотрите тип интерфейса (например, JESD204B, LVDS) для обеспечения высокоскоростной передачи данных без узких мест. Производители, такие как Texas Instruments и Analog Devices предлагают параметрические инструменты поиска для соответствия ADC конкретным требованиям к тестированию и измерению.

2. Улучшение целостности сигнала посредством кондиционирования

Целостность сигнала начинается на кончике зонда и распространяется на вход ADC. Используйте активные зонды с низкой входной емкостью и высокой пропускной способностью, чтобы минимизировать нагрузку. Держите путь сигнала как можно короче; каждый миллиметр трассы ПХБ добавляет индуктивность и может создавать несоответствия импеданса, которые вызывают отражения и звон. Используйте экранированные кабели и сохраняйте согласованное характеристическое импеданс (обычно 50 Ω для радиочастотного оборудования). Перед ADC аналоговый фронтенд часто включает в себя буферный усилитель и сглаживающий фильтр. Частота отсечения фильтра должна быть установлена чуть выше максимальной частоты сигнала, чтобы отклонить внеполосный шум и предотвратить псевдонимирование. Для высокочастотных приложений пятирядный или более высокий эллиптический фильтр может обеспечить резкое откат, но помните о искажении групповой задержки - используйте линейный фазовый фильтр, когда точность домена времени имеет первостепенное значение. Подробное руководство по проектированию фильтра доступно в примечаниях приложения Keysight по кондиционированию

3. Снижение джиттера часов для более высоких SNR

Джиттер часов, возможно, является наиболее важным фактором, ограничивающим производительность ADC на высоких частотах. Связь между джиттером и SNR дается SNR (dB) ≈ 20 log10 (1 / (2π fin σt)), где плавник является входной частотой, а σt - джиттером rms. Для сигнала 1 ГГц с джиттером 100 fs теоретический предел SNR составляет около 64 дБ - значение, легко ухудшаемое плохой генерацией часов. Чтобы минимизировать джиттер, используйте осциллятор с низким фазным шумом (например, кристаллический осциллятор, за которым следует джиттер-очиститель) и держите часы с коротким следом и управляемым импедансом. Отделите часы ADC от цифрового переключения шума, маршрутизируя его на выделенном слое с наземной плоскостью. В системах, где несколько ADC переплетаются, уменьшение джиттера становится еще более важным, поскольку несоответствия между полосами вводят как случайные, так и детерминированные ошибки

4. Оптимизация энергоснабжения и заземления

Шум питания соединяется непосредственно с аналоговым сечением ADC, ухудшая SNR и ложную производительность. Используйте регуляторы с высоким коэффициентом отбрасывания питания (LDO) для подачи каждого штифта подачи ADC индивидуально. Избегайте переключения регуляторов для аналоговых рельсов, если они не работают далеко от частоты отбора проб ADC и не следуют тщательной фильтрации. Отдельные аналоговые и цифровые наземные плоскости на ПХД, соединяя их в одной звездной точке под ADC. Удвоить каждый штифт питания с комбинацией 10 мкФ тантала, 0,1 мкФ керамики и 100 пФ конденсаторов низкой индуктивности, расположенных как можно ближе к штифту. Для высокоскоростных ADC ферритовая бусина в серии с линией подачи может подавлять высокочастотный хэш из цифровых цепей. Обратите внимание на внутренний эталонный буфер ADC; некоторые устройства позволяют внешний эталон, который должен быть приведен в действие с помощью низкошумного, низкодифференцированного справочника IC. Аналоговые устройства учебник

5. Рассмотрение вопроса о ПХД для высокоскоростных АЦП

Высокочастотная производительность ADC сильно зависит от компоновки печатной платы. Используйте четырехслойный или более стек платы с твердой плоскостью грунта непосредственно под ADC. Разместите аналоговые входные следы на верхнем слое, окруженном заливом грунта, и избегайте сквозных сигналов, которые вводят индуктивность. Держите цифровые выходные следы от аналоговых входов, чтобы предотвратить перекрестный контакт. Если ADC имеет дифференциальный вход, убедитесь, что дифференциальная пара плотно связана и сопоставлена по длине, чтобы поддерживать равномерное отклонение. Термическое управление также важно: ADC, рассеивающие несколько ватт, требуют тепловых сквозняков и медной панели, подключенной к внутреннему заземленному слою. Некоторые высокоскоростные ADC генерируют эффекты памяти из-за остаточного заряда из предыдущих образцов; Чистая компоновка и надлежащее завершение могут смягчить эти нелинейности. При перемешивании нескольких ADC в системе с временным переплетением тщательная маршрутизация часов и сигналы сброса предотвращают перекос, который ухудшит

6. Использование дитеринга и рандомизации

Дитеринг — это метод, при котором на входе ADC до квантования добавляется небольшое количество шума (или псевдослучайный сигнал). Это разрушает когерентные модели ошибок квантования, уменьшая гармонические искажения и улучшая SFDR, особенно для сигналов малой амплитудности. Дитерный сигнал обычно формируется так, чтобы быть вне диапазона и позже вычитается в цифровом виде. В высокочастотном испытательном оборудовании дитеринг обычно используется для увеличения эффективного разрешения на 1—2 бита. Методы рандомизации, такие как динамическое согласование элементов (DEM) в DAC складывающегося ADC, также распространяют шпоры, связанные с несоответствием, по всему спектру. Многие современные ADC включают в себя дитерные двигатели на чипе, которые могут быть включены через настройки регистра. Для осциллографов, включение дитера может обеспечить более чистые FFT-дисплеи для анализа спектра без ущерба для производительности временной области.

7. Калибровка и компенсация

Даже самый лучший ADC страдает от неидеалов, таких как офсет, ошибка усиления и нелинейность. Цифровая калибровка может исправить эти ошибки в реальном времени. Многие высокоскоростные ADC включают встроенные процедуры самокалибровки, которые работают при подаче питания или при запуске командой. Для приложений, требующих сверхвысокой линейности, внешняя калибровка с использованием известных эталонных тонов может выполняться периодически. Дрифт температуры также влияет на производительность; некоторые системы включают датчики температуры и динамически регулируют калибровочные коэффициенты. В системах с временным интервалом калибровка должна учитывать несоответствия между каналами. Слепые методы калибровки, которые используют статистические свойства входного сигнала, доступны для систем, где известная ссылка не может быть вставлена. В документе Tektronix о проверке производительности осциллографа обсуждаются процедуры калибровки, которые поддерживают точность ADC в течение срока службы инструмента.