獲取數據手冊之外的ADC數據

作者：Maithil Pachchigar and Richard Liggiero

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

ATE系統制造商LTX-Credence（LTXC）開發了特征分析工具集，可以分析轉換器產品，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或基于所有代碼的性能直接測量輸出的系統而設計，而不是典型的短路輸入或其他幾個不同的轉換器電平。

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和動態性能。本文介紹了一個工具集，以幫助了解數據手冊之外的信息，這將有助于決定為即將推出的新系統設計選擇精密ADC?，F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（電容數模轉換器）技術，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易于驅動，并減輕了ADC驅動器建立時間要求的負擔。它提供高端數據采集系統所需的寬帶寬、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）環路的一部分。

AD7960系列數字接口采用LVDS（低壓差分信號），提供自時鐘和回波時鐘模式，可在ADC和數字主機之間提供高達300 MHz（CLK±和D±）的高速數據傳輸。LVDS接口減少了數字信號的數量，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，以同步每次轉換的數據。當每個系統使用多個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。需要報頭以允許數字主機獲取數據輸出，因為沒有與數據同步的時鐘輸出。當每個系統使用幾個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，在自時鐘模式下轉換時，5 MSPS時的功耗僅為39 mW，在回波時鐘模式下轉換時，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靜態功耗決定。

圖2.AD7960的功耗與吞吐速率呈線性關系。

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。片內緩沖器使2.048 V基準電壓加倍，因此轉換以4.096 V或5 V為基準。

特征分析工具集

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

特征分析工具集具有將數據分析推送到我們可以評估轉換器真實性能的算法，超出了數據手冊中傳統上發布的內容。該工具集最初是作為評估工具開發的，用于為 LTXC 的數據轉換器測試模塊 （DCTM） 指定下一代組件。作為DCTM成功的直接結果，該工具集提供了一種驗證、指定和表征所有代碼轉換器的方法。專為轉換器測試而開發的DCTM和數據處理算法使IC制造商能夠為其產品增加價值。作為同類最佳的混合信號通道卡，DCTM 在評估轉換器性能以及性能、功耗和價格權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傳遞函數的寶貴見解（如圖3所示），可以幫助最終用戶選擇特定的轉換器。這種洞察力還為產品開發團隊提供了關于轉換器傳遞函數與理想轉換器傳遞函數偏差的精確反饋。識別傳遞函數中的擾動是一個熟悉的概念。然而，隔離它們發生位置的能力已被證明對系統開發過程非常寶貴。

圖3.使用特征分析工具集的數據流將生成多個繪圖。

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轉換器的信息。

線性度和動態性能是高分辨率精密轉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。這些參數也可在AD7960數據手冊中找到。

圖4.AD7960線性度圖的靜態性能：（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以及整個數據采集系統的質量至關重要。在查看轉換器的最終結果時，信號完整性的事實有時會在轉換中丟失。測試儀的信號調理網絡、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的數據集進行后處理，您可以找到轉換器滿量程范圍內的噪聲性能。LTXC開發了一種在所有代碼上重建高分辨率轉換器噪聲的方法，如圖6所示。

圖6.AD7960噪聲響應圖包括所有ADC代碼的數據。

為了通過公布的數據手冊增強產品吸引力，我們可以表征轉換器在所有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換器電平。這種方法提供了轉換器和采集系統的更具包容性的視圖。

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

總結一下，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中使用轉換器，而不是單一代碼方法，從而增強了轉換器對系統級設計人員的吸引力。

與AD7960一樣，圖6顯示傳遞函數沒有明顯偏移或任何特定的不連續性，因此證明了系統功能。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電平，其與計算的100.7 dB噪聲電平相差1.5 dB以內。此外，該工具集中還內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。

結論

評估高端轉換器的系統級設計人員會發現，在轉換器選擇過程中，這些類型的結果非常寶貴，因為他們需要在性能、功耗和價格等關鍵指標之間進行權衡。使用 特征 分析 工具 集， 您 可以 直觀 地 查看 傳統 數據 手冊 之外 的 規格， 并 確定 關鍵 參數 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