获取数据手册之外的ADC数据

作者：Maithil Pachchigar and Richard Liggiero

为设计选择高分辨率ADC时，通常需要了解传统上可能未在数据手册中公布的特性。以转换器在所有代码上的噪声性能为例。您可能在数据手册中找不到此规格。幸运的是，我们的设计人员现在有了一个工具，可以分析ADC的这个参数和其他参数，并从系统级的角度评估转换器的真实性能。

ATE系统制造商LTX-Credence（LTXC）开发了特征分析工具集，可以分析转换器产品，如AD7960类，专为高端仪器仪表和ATE而设计。该工具集专为需要仔细分析传递函数或基于所有代码的性能直接测量输出的系统而设计，而不是典型的短路输入或其他几个不同的转换器电平。

选择 ADC 时，您可能需要考虑整体 ADC 效率、功耗、尺寸和价格。此外，请密切注意奈奎斯特带宽上的静态和动态性能。本文介绍了一个工具集，以帮助了解数据手册之外的信息，这将有助于决定为即将推出的新系统设计选择精密ADC。现在，我们将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（如图1所示）采用CAPCAC（电容数模转换器）技术，在不增加延迟或流水线延迟的情况下降低噪声并提高线性度。AD7960在转换开始后约100 ns返回采集模式，其采集时间约为总周期时间的50%。因此，尽管速度是第二快的18位SAR ADC的两倍，但它的采集时间几乎相同。这使得AD7960易于驱动，并减轻了ADC驱动器建立时间要求的负担。它提供高端数据采集系统所需的宽带宽、高精度（INL：±0.8 LSB、SNR：99 dB和THD：−117 dB典型值）和快速采样（200 ns），同时降低多通道应用中的功耗和成本。

图1.AD7960功能框图显示CAPDAC是SAR（逐次逼近寄存器）环路的一部分。

AD7960系列数字接口采用LVDS（低压差分信号），提供自时钟和回波时钟模式，可在ADC和数字主机之间提供高达300 MHz（CLK±和D±）的高速数据传输。LVDS接口减少了数字信号的数量，并简化了信号路由，因为多个器件可以共享一个公共时钟。这也降低了功耗，这在多路复用应用中特别有用。

自时钟模式简化了与主机处理器的接口，允许使用标头进行复杂的时序，以同步每次转换的数据。当每个系统使用多个ADC以及存在电路板空间、功耗和布局布线限制时，此模式特别有用。需要报头以允许数字主机获取数据输出，因为没有与数据同步的时钟输出。当每个系统使用几个ADC而没有任何电路板空间或功耗限制时，回波时钟模式非常有用。此模式提供可靠的时序，但代价是额外的差分对 （DCO±）。

AD7960采用1.8 V和5 V电源供电，在自时钟模式下转换时，5 MSPS时的功耗仅为39 mW，在回波时钟模式下转换时，5 MSPS时的功耗仅为46.5 mW。其功耗与采样速率成线性关系，如图2所示，非常适合低功耗应用。极低采样速率下的功耗主要由LVDS静态功耗决定。

图2.AD7960的功耗与吞吐速率呈线性关系。

AD7960系列允许您使用三种外部基准电压源选项中的任何一种：2.048 V、4.096 V和5 V。片内缓冲器使2.048 V基准电压加倍，因此转换以4.096 V或5 V为基准。

特征分析工具集

为了获取传统数据手册之外的数据，我们提供了特征分析工具集与ADC交互的简化视图。今天的数据手册在性能和结构上非常相似，因为转换器市场已经到了性能经常被价格和功耗所折衷的地步。但是，这些权衡是以什么代价为代价的呢？在这里，我们专注于识别转换器的真实性能。

特征分析工具集具有将数据分析推送到我们可以评估转换器真实性能的算法，超出了数据手册中传统上发布的内容。该工具集最初是作为评估工具开发的，用于为 LTXC 的数据转换器测试模块 （DCTM） 指定下一代组件。作为DCTM成功的直接结果，该工具集提供了一种验证、指定和表征所有代码转换器的方法。专为转换器测试而开发的DCTM和数据处理算法使IC制造商能够为其产品增加价值。作为同类最佳的混合信号通道卡，DCTM 在评估转换器性能以及性能、功耗和价格权衡方面超越了熟悉的标准台式仪表。

特征分析工具集提供了对ADC传递函数的宝贵见解（如图3所示），可以帮助最终用户选择特定的转换器。这种洞察力还为产品开发团队提供了关于转换器传递函数与理想转换器传递函数偏差的精确反馈。识别传递函数中的扰动是一个熟悉的概念。然而，隔离它们发生位置的能力已被证明对系统开发过程非常宝贵。

图3.使用特征分析工具集的数据流将生成多个绘图。

AD7960 评估

这里介绍的是使用LTX-Credence特征分析工具集了解的有关转换器的信息。

线性度和动态性能是高分辨率精密转换器的两个重要测试要求。使用工具集对AD7960分析和显示这些测试，如图4所示。这些参数也可在AD7960数据手册中找到。

图4.AD7960线性度图的静态性能：（a）INL和（b）DNL。

测试设备模拟仪器的信号完整性和性能对于确定AD7960以及整个数据采集系统的质量至关重要。在查看转换器的最终结果时，信号完整性的事实有时会在转换中丢失。测试仪的信号调理网络、参考设计和电源确实有助于图5中的整体测量性能。

图5.使用特征分析工具集测量的AD7960动态性能显示THD = 119.8 dB，SNR = 99.2 dBFS，ENOB为16.2位。

使用特征分析工具集对AD7960的数据集进行后处理，您可以找到转换器满量程范围内的噪声性能。LTXC开发了一种在所有代码上重建高分辨率转换器噪声的方法，如图6所示。

图6.AD7960噪声响应图包括所有ADC代码的数据。

为了通过公布的数据手册增强产品吸引力，我们可以表征转换器在所有ADC代码下的噪声性能，而不是典型的短路输入或其他几个不同的转换器电平。这种方法提供了转换器和采集系统的更具包容性的视图。

通过工具集收集的此信息集，您可以确定稳定性，预测SNR，其可重复性和再现性，以及作为代码函数的潜在噪声问题。今天的数据手册中缺少这种扩展数据，这可以帮助设计人员选择在所有代码中广泛使用的转换器。除了将工具集用作反馈机制以帮助区分未来的系统级设计外，它还用作演示工具来显示转换器的信号完整性。

总结一下，图6显示了AD7960在所有代码（262、144、218）上的衍生噪声。这种类型的噪声响应是单个代码直方图无法揭示的。从系统级别的角度来看，这在实际使用中很重要。例如，ATE制造商在整个传递函数中使用转换器，而不是单一代码方法，从而增强了转换器对系统级设计人员的吸引力。

与AD7960一样，图6显示传递函数没有明显偏移或任何特定的不连续性，因此证明了系统功能。从图6中的噪声图中深入挖掘，SNR可以使用以下公式推导出来：

测得的信噪比为99.2 dBFS，如图5所示。这提供了测试的所有代码噪声的相关电平，其与计算的100.7 dB噪声电平相差1.5 dB以内。此外，该工具集中还内置了对信息进行后处理的功能，以便更精细地了解AD7960的实际性能。

结论

评估高端转换器的系统级设计人员会发现，在转换器选择过程中，这些类型的结果非常宝贵，因为他们需要在性能、功耗和价格等关键指标之间进行权衡。使用 特征 分析 工具 集， 您 可以 直观 地 查看 传统 数据 手册 之外 的 规格， 并 确定 关键 参数 性能 指标， 以 反馈、 改进 和 验证 下一代 仪器 设计。

审核编辑：郭婷