作者：Maithil Pachchigar and Richard Liggiero

為設計選擇高分辨率ADC時，通常需要了解傳統(tǒng)上可能未在數(shù)據(jù)手冊中公布的特性。以轉(zhuǎn)換器在所有代碼上的噪聲性能為例。您可能在數(shù)據(jù)手冊中找不到此規(guī)格。幸運的是，我們的設計人員現(xiàn)在有了一個工具，可以分析ADC的這個參數(shù)和其他參數(shù)，并從系統(tǒng)級的角度評估轉(zhuǎn)換器的真實性能。

ATE系統(tǒng)制造商LTX-Credence（LTXC）開發(fā)了特征分析工具集，可以分析轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，如AD7960類，專為高端儀器儀表和ATE而設計。該工具集專為需要仔細分析傳遞函數(shù)或基于所有代碼的性能直接測量輸出的系統(tǒng)而設計，而不是典型的短路輸入或其他幾個不同的轉(zhuǎn)換器電平。

選擇 ADC 時，您可能需要考慮整體 ADC 效率、功耗、尺寸和價格。此外，請密切注意奈奎斯特帶寬上的靜態(tài)和動態(tài)性能。本文介紹了一個工具集，以幫助了解數(shù)據(jù)手冊之外的信息，這將有助于決定為即將推出的新系統(tǒng)設計選擇精密ADC?，F(xiàn)在，我們將使用特征分析工具集演示ADI公司AD7960（18位PulSAR ADC）的性能。?

AD7960

AD7960和18位、5 MSPS差分ADC（如圖1所示）采用CAPCAC（電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器）技術(shù)，在不增加延遲或流水線延遲的情況下降低噪聲并提高線性度。AD7960在轉(zhuǎn)換開始后約100 ns返回采集模式，其采集時間約為總周期時間的50%。因此，盡管速度是第二快的18位SAR ADC的兩倍，但它的采集時間幾乎相同。這使得AD7960易于驅(qū)動，并減輕了ADC驅(qū)動器建立時間要求的負擔。它提供高端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的寬帶寬、高精度（INL：±0.8 LSB、SNR：99 dB和THD：?117 dB典型值）和快速采樣（200 ns），同時降低多通道應用中的功耗和成本。

圖1.AD7960功能框圖顯示CAPDAC是SAR（逐次逼近寄存器）環(huán)路的一部分。

AD7960系列數(shù)字接口采用LVDS（低壓差分信號），提供自時鐘和回波時鐘模式，可在ADC和數(shù)字主機之間提供高達300 MHz（CLK±和D±）的高速數(shù)據(jù)傳輸。LVDS接口減少了數(shù)字信號的數(shù)量，并簡化了信號路由，因為多個器件可以共享一個公共時鐘。這也降低了功耗，這在多路復用應用中特別有用。

自時鐘模式簡化了與主機處理器的接口，允許使用標頭進行復雜的時序，以同步每次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。當每個系統(tǒng)使用多個ADC以及存在電路板空間、功耗和布局布線限制時，此模式特別有用。需要報頭以允許數(shù)字主機獲取數(shù)據(jù)輸出，因為沒有與數(shù)據(jù)同步的時鐘輸出。當每個系統(tǒng)使用幾個ADC而沒有任何電路板空間或功耗限制時，回波時鐘模式非常有用。此模式提供可靠的時序，但代價是額外的差分對 （DCO±）。

AD7960采用1.8 V和5 V電源供電，在自時鐘模式下轉(zhuǎn)換時，5 MSPS時的功耗僅為39 mW，在回波時鐘模式下轉(zhuǎn)換時，5 MSPS時的功耗僅為46.5 mW。其功耗與采樣速率成線性關(guān)系，如圖2所示，非常適合低功耗應用。極低采樣速率下的功耗主要由LVDS靜態(tài)功耗決定。

圖2.AD7960的功耗與吞吐速率呈線性關(guān)系。

AD7960系列允許您使用三種外部基準電壓源選項中的任何一種：2.048 V、4.096 V和5 V。片內(nèi)緩沖器使2.048 V基準電壓加倍，因此轉(zhuǎn)換以4.096 V或5 V為基準。

特征分析工具集

為了獲取傳統(tǒng)數(shù)據(jù)手冊之外的數(shù)據(jù)，我們提供了特征分析工具集與ADC交互的簡化視圖。今天的數(shù)據(jù)手冊在性能和結(jié)構(gòu)上非常相似，因為轉(zhuǎn)換器市場已經(jīng)到了性能經(jīng)常被價格和功耗所折衷的地步。但是，這些權(quán)衡是以什么代價為代價的呢？在這里，我們專注于識別轉(zhuǎn)換器的真實性能。

特征分析工具集具有將數(shù)據(jù)分析推送到我們可以評估轉(zhuǎn)換器真實性能的算法，超出了數(shù)據(jù)手冊中傳統(tǒng)上發(fā)布的內(nèi)容。該工具集最初是作為評估工具開發(fā)的，用于為 LTXC 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器測試模塊 （DCTM） 指定下一代組件。作為DCTM成功的直接結(jié)果，該工具集提供了一種驗證、指定和表征所有代碼轉(zhuǎn)換器的方法。專為轉(zhuǎn)換器測試而開發(fā)的DCTM和數(shù)據(jù)處理算法使IC制造商能夠為其產(chǎn)品增加價值。作為同類最佳的混合信號通道卡，DCTM 在評估轉(zhuǎn)換器性能以及性能、功耗和價格權(quán)衡方面超越了熟悉的標準臺式儀表。

特征分析工具集提供了對ADC傳遞函數(shù)的寶貴見解（如圖3所示），可以幫助最終用戶選擇特定的轉(zhuǎn)換器。這種洞察力還為產(chǎn)品開發(fā)團隊提供了關(guān)于轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)與理想轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)偏差的精確反饋。識別傳遞函數(shù)中的擾動是一個熟悉的概念。然而，隔離它們發(fā)生位置的能力已被證明對系統(tǒng)開發(fā)過程非常寶貴。

圖3.使用特征分析工具集的數(shù)據(jù)流將生成多個繪圖。

AD7960 評估

這里介紹的是使用LTX-Credence特征分析工具集了解的有關(guān)轉(zhuǎn)換器的信息。

線性度和動態(tài)性能是高分辨率精密轉(zhuǎn)換器的兩個重要測試要求。使用工具集對AD7960分析和顯示這些測試，如圖4所示。這些參數(shù)也可在AD7960數(shù)據(jù)手冊中找到。

圖4.AD7960線性度圖的靜態(tài)性能：（a）INL和（b）DNL。

測試設備模擬儀器的信號完整性和性能對于確定AD7960以及整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的質(zhì)量至關(guān)重要。在查看轉(zhuǎn)換器的最終結(jié)果時，信號完整性的事實有時會在轉(zhuǎn)換中丟失。測試儀的信號調(diào)理網(wǎng)絡、參考設計和電源確實有助于圖5中的整體測量性能。

圖5.使用特征分析工具集測量的AD7960動態(tài)性能顯示THD = 119.8 dB，SNR = 99.2 dBFS，ENOB為16.2位。

使用特征分析工具集對AD7960的數(shù)據(jù)集進行后處理，您可以找到轉(zhuǎn)換器滿量程范圍內(nèi)的噪聲性能。LTXC開發(fā)了一種在所有代碼上重建高分辨率轉(zhuǎn)換器噪聲的方法，如圖6所示。

圖6.AD7960噪聲響應圖包括所有ADC代碼的數(shù)據(jù)。

為了通過公布的數(shù)據(jù)手冊增強產(chǎn)品吸引力，我們可以表征轉(zhuǎn)換器在所有ADC代碼下的噪聲性能，而不是典型的短路輸入或其他幾個不同的轉(zhuǎn)換器電平。這種方法提供了轉(zhuǎn)換器和采集系統(tǒng)的更具包容性的視圖。

通過工具集收集的此信息集，您可以確定穩(wěn)定性，預測SNR，其可重復性和再現(xiàn)性，以及作為代碼函數(shù)的潛在噪聲問題。今天的數(shù)據(jù)手冊中缺少這種擴展數(shù)據(jù)，這可以幫助設計人員選擇在所有代碼中廣泛使用的轉(zhuǎn)換器。除了將工具集用作反饋機制以幫助區(qū)分未來的系統(tǒng)級設計外，它還用作演示工具來顯示轉(zhuǎn)換器的信號完整性。

總結(jié)一下，圖6顯示了AD7960在所有代碼（262、144、218）上的衍生噪聲。這種類型的噪聲響應是單個代碼直方圖無法揭示的。從系統(tǒng)級別的角度來看，這在實際使用中很重要。例如，ATE制造商在整個傳遞函數(shù)中使用轉(zhuǎn)換器，而不是單一代碼方法，從而增強了轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)級設計人員的吸引力。

與AD7960一樣，圖6顯示傳遞函數(shù)沒有明顯偏移或任何特定的不連續(xù)性，因此證明了系統(tǒng)功能。從圖6中的噪聲圖中深入挖掘，SNR可以使用以下公式推導出來：

測得的信噪比為99.2 dBFS，如圖5所示。這提供了測試的所有代碼噪聲的相關(guān)電平，其與計算的100.7 dB噪聲電平相差1.5 dB以內(nèi)。此外，該工具集中還內(nèi)置了對信息進行后處理的功能，以便更精細地了解AD7960的實際性能。

結(jié)論

評估高端轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)級設計人員會發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)換器選擇過程中，這些類型的結(jié)果非常寶貴，因為他們需要在性能、功耗和價格等關(guān)鍵指標之間進行權(quán)衡。使用 特征 分析 工具 集， 您 可以 直觀 地 查看 傳統(tǒng) 數(shù)據(jù) 手冊 之外 的 規(guī)格， 并 確定 關(guān)鍵 參數(shù) 性能 指標， 以 反饋、 改進 和 驗證 下一代 儀器 設計。

審核編輯：郭婷