时钟接口阈值区间附近的抖动会破坏ADC的时序。例如,抖动会导致ADC在错误的时间采样,造成对模拟输入的误采样,并且降低器件的信噪比(SNR)。降低抖动有很多不同的方法,但是在之前我们必须找到抖动的根本原因!
产生时钟抖动的原因分析
时钟抖动的根本原因就是时钟和ADC之间的电路噪声。随机抖动由随机噪声引起,主要随机噪声源包括:
- 热噪声(约翰逊或奈奎斯特噪声),由载流子的布朗运动引起。
- 散粒噪声,与流经势垒的直流电流有关,该势垒不连续平滑,由载流子的单独流动引起的电流脉冲所造成。
- 闪烁噪声,出现在直流电流流动时。该噪声由携带载流子的半导体中的陷阱引起,这些载流子在释放前通常会形成持续时间较短的直流电流。
- 爆裂噪声,也称爆米花噪声,由硅表面的污染或晶格错位造成,会随机采集或释放载流子。
如何查看时钟信号噪声
确定性抖动由干扰引起,会通过某些方式使阈值发生偏移,通常受器件本身特性限制。查看时钟信号噪声通常有三种途径:时域、频域、相位域。
以上三种途径的具体方法如下:
一、时域图
图1. 抖动的时域图
时钟抖动是编码时钟的样本(不同周期)间的变化,包括外部和内部抖动。抖动引起的满量程信噪比由以下公式得出
举个例子,频率为1 Ghz,抖动为100 FS均方根值时,信噪比为64 dB。在时域中查看时,x轴方向的编码边沿变化会导致y轴误差,幅度取决于边沿的上升时间。孔径抖动会在ADC输出产生误差,如图2所示。抖动可能产生于内部的ADC、外部的采样时钟或接口电路。
图2. 孔径抖动和采样时钟抖动的影响
图3显示抖动对信噪比的影响。图中显示了5条线,分别代表不同的抖动值。x轴是满量程模拟输入频率,y轴是由抖动引起的信噪比,有别于ADC总信噪比。
图3. 时钟抖动随模拟信号增大而提升信噪比
由抖动引起的信噪比和有效位数(ENOB)的关系由以下公式定义:
SNR = 6.02 N + 1.76 dB
其中N =有效位数。满量程100 MHz输入时,14位有效位数要求均方根抖动不超过0.125 ps或125 fs。该公式假定ADC具有无限分辨率,其中的唯一误差是由时钟抖动产生的噪声。