增强ADC性能的频率抖动法

 

　　自从 70 年代末以来，设计师成功地提高了A/D 转换器的有效分辨力和寄生性能，方法是在变换器的输入端加入抖动(非相关噪声)，然后用 DSP 技术将噪声从变换后的数据中中和。最常见的抖动方法是在 A/D变换器输入信号上增加随机振幅噪声。尽管这种方法具有实用性，但增加的噪声中包含有大的随机峰值信号。为使 A/D 变换器输入端口不致进入饱和，设计师必须知道峰值信号以及峰值抖动电平。即使短时间的饱和也会使 A/D 变换器增加更多非线性成分，从而超过抖动可以消除的范围。

　　另一种方法是增加一个频率抖动而振幅恒定的信号。图1显示一种可能的实现方案，它采用一只Linear公司LTC1799可编程振荡器IC2，工作在VCO(压控振荡器)模式，此时用施加电压调制中心频率。LTC1799的中心频率可以设为1 kHz至33 MHz，使之适合作为现有大部分A/D变换器的抖动发生器。由于LTC1799的输出中包含有一个方波，因此其峰值输出振幅是确定的。

　　可以将随机抖动的中心频率设为低于或高于所关注的信号频率。对于窄带中频的变换，高于或低于信号频率的中心频率都可以工作得很好。对于必须工作在直流状态下的A/D变换器，唯一可用的位置是高于所关注的信号频率。有一种方法是将抖动频率置于采样频率或 Nyquist频率一半的地方。此时，随机噪声一般不会干扰所需信号，产生的任何假频都只会涉及自己周围的随机频率噪声，而不会进入所需的信号频带。

　　图1中的电路采用了一个20 MHz采样的A/D变换器，在大约10 MHz中心频率的周围产生随机噪声。随机噪声的生成可以采用任何技术，包括数字移位寄存器和偏置在击穿区的半导体结。在本例中，用一支12V的齐纳二极管D1来产生噪声，一个二级放大器完成放大及频率成形。必要时，可以用更复杂的有源滤波电路(IC1A和IC1B)来进一步修整噪声分布形态。经过滤波后，噪声对LTC1799进行调制。要保证LTC1799的电源电压是纯直流，没有纹波，因为电源噪声会产生非随机的AM边带。

　　

 

　　图 1， 一支齐纳二极管、二级放大和一个 FM 压控振荡器构成了一个振幅恒定的抖动发生器。

　　图2显示了图1设计中有限频谱的振幅-频率曲线。根据电路的配置，可以用一个小耦合电容或更复杂的有源求和电路将抖动加到 A/D 变换器上。虽然齐纳二极管噪声发生器理论上是简单的，但它们在生产环境下性能不佳，因为其噪声输出变化很大。即使是同一生产批次的二极管，也可以观察到所谓爆米花噪声、不规则分布的噪声柱形图、振幅漂移以及频率加权噪声。

　　在大批量应用中，规格齐整的噪声二极管，例如来自 Micronetics公司的产品可能比齐纳二极管更有性价比。一旦选定了噪声二极管，就可以选择放大级的增益，使电路输出端不会出现明显的箝位噪声峰值。如果应用需要，还可以改变放大器的频率响应，以改变噪声频谱。最后，调整LTC1799 的频率设定电阻 R6和R7，可使噪声频谱与图2所示类似。沿放大器通道的任何箝位都会在频谱的边沿增加波峰，这表明有振幅的箝位以及噪声随机特性的降低。

　　

 

　　图 2 ，宽阔的钟形曲线显示出一个随机频率抖动频谱，它叠加在 LTC1799 的 10 MHz 未调制输出上。

　　在噪声输出与A/D变换器求和输入端之间可以增加一个滤波器，以限制带内噪声，或去除电源纹波造成的任何周期性调制。在现代高性能 A/D 变换器中，即使少量的周期性噪声也会表现为一个 -80 dBc(载波下分贝数)的寄生响应。