JESD204B输出ADC的多通道低抖动GHz时钟解决方案分析

随着使用多模数转换器(ADC)的高速信号采集应用的复杂性提高，每个转换器互补时钟解决方案将决定动态范围和系统的潜在能力。随着新兴每秒一千兆样本(GSPS) ADC的采样速率和输入带宽提高，系统的分布式采样时钟的能力和性能变得至关重要。以高频测量为目标的系统解决方案，例如电气测量仪器仪表和多转换器阵列应用，将需要尖端的时钟解决方案。

选择专门的辅助时钟解决方案对防止ADC动态范围受限非常重要。根据目标输入带宽和频率，时钟抖动可能会反过来限制ADC的性能。转换器的高速JESD204B串行接口的低抖动和相位噪声、分配链路和对齐能力都是对优化系统性能极其重要的时钟属性。

支持带JESD204B输出ADC的多通道低抖动GHz时钟解决方案继续在业内激增。设计工程师问我们该如何为其GSPS ADC选择合适的时钟解决方案。下面就是答案和对与将时钟解决方案与特殊ADC配对产生的技术影响相关的部分常见讨论的分析。

第2或第3奈奎斯特频率区域对宽带GSPS ADC使用高输入频率需要较低的抖动和高速时钟。时钟抖动对ADC性能有什么影响？

由于采用GSPS ADC和直接RF采样的系统中使用高频率输入信号，因此时钟抖动对系统性能的影响越来越大。固定量的时钟抖动可能不会对具有低频输入的系统性能产生限制。随着ADC输入频率提高，相同固定量的时钟抖动会对系统的信噪比(SNR)产生影响。ADC的SNR定义为信号功率或噪声与输入ADC的总非信号功率的对数比。

在较高频率下对快速上升时间信号进行采样时，具有已知量时钟抖动的ADC采样时刻将产生更大或更模糊的采样电压增量(dV)。这是因为，高频信号的压摆率比低频信号大。图1所示为这种关系的一个示例：

 

图1

ADC时钟出现固定量的时钟抖动(dt)后，更高频率的输入信号将具有一个更大的采样电压误差dV，此误差与更低频率的输入信号相关联。这会对ADC的动态范围能力产生直接影响。

峰峰值和rms (均方根即平方)抖动之间的区别是什么？

时钟信号有两类抖动会直接影响ADC的性能：随机抖动(RJ)和确定性抖动(DJ)。确定性抖动源自一个可识别的干扰信号，其幅度大小是有界的。它由所有其他无用信号特性产生，这些特性包括串扰、电磁干扰(EMI)辐射、电源噪声以及同步开关等周期性调制。确定性抖动在时钟信号上将表现为杂散信号。这些无用信号还会在ADC产生的数字频谱上表现为杂散信号。

随机抖动的大小没有界，而且是高斯抖动。它可由较不可预测的影响产生，例如温度和小型半导体工艺变化。如果ADC采样时钟上存在足够的随机抖动，则可能提高数据转换器上的噪声频谱密度(NSD)。将每个RJ和DJ均方根的大小(RSS)相加便可以确定全部抖动对ADC采样时钟的影响。

典型时钟信号上的随机抖动大小直方图应为完全正常的高斯分布。抖动的任何附加确定性分量都将产生双峰分布。通过进行大量时序测量并确定最小和最大的抖动偏差，可测量峰峰值抖动。随着更多测量的进行，最小和最大抖动将最终继续扩大绝对峰峰值。有效的测量必须是固定的时间和测量样本数量。因此，绝对峰峰抖动值并不是特别有用，除非是基于标准偏差已知的高斯分布。

均方根抖动是高斯曲线内一个标准偏差的值。即使被测样本大小增加，该值也几乎不会变化。这也意味着，均方根抖动值比峰峰抖动值更有意义，并且更易测量。要使均方根抖动的大小有意义，总抖动必须是高斯分布。变形的高斯分布图表示存在确定性抖动分量。如果可能，应识别出确定性抖动分量的根本原因并将其缓和或消除。

 

图2

尽管一个理想时钟信号的所有功率均应在单个频点内，但实际的时钟解决方案会有一些“相位噪声波裙”大小。只有随机抖动的时钟信号将形成高斯分布。任何确定性抖动都将使理想的高斯分布图变形。曲线上任意点的相位噪声功率可从F0处的峰值到F0 + Fm处的目标频点测得。

ADC的输入时钟抖动将如何降低SNR和NSD的性能？

ADC的NSD是转换器的主要性能指标之一。NSD定义单位带宽条件下的整个噪声功率(在相应ADC采样频率(fS)采样)。NSD是ADC的满量程信噪比(SNRFS)与任意时钟抖动下降和噪声分布于频谱的奈奎斯特带宽(fS/2)的函数。任意采样时间误差都将导致噪声信号功率的某些部分下降。