Понимание ограничений на увеличение SFDR в высоких

Динамический диапазон без паразитных помех (SFDR) — это распространенный способ характеристики линейности схемы. Эта спецификация особенно полезна при работе с системами связи. Рассматривая общую функциональность АЦП, в этой статье делается попытка объяснить два основных источника нелинейности, а именно схему выборки и хранения (S/H) и кодирующую часть АЦП, которые ограничивают производительность АЦП SFDR.

Мы также узнаем об общем компромиссе между SFDR и SNR (отношением сигнал/шум) в АЦП, а также заложим основу для интересного обсуждения в будущей статье о применении метода дизеринга для улучшения SFDR АЦП. Дизеринг — это метод преднамеренного добавления соответствующего компонента шума на вход АЦП для улучшения определенных аспектов производительности системы АЦП. Это похоже на волшебство: думать, что добавление шума может улучшить SFDR.

Однако, прежде чем углубляться в подробности, давайте кратко рассмотрим, что такое SFDR и почему это важно.

Существует несколько различных характеристик, которые можно использовать для характеристики линейности схемы. Одной из популярных спецификаций является метрика SFDR. Этот показатель определяется как отношение амплитуды полезного сигнала к наибольшему выбросу в интересующей полосе пропускания (рис. 1).

Что касается АЦП, SFDR показывает, как АЦП может одновременно обрабатывать небольшой сигнал при наличии большого сигнала. В качестве примера рассмотрим приложение-приемник. Предположим, что вход АЦП состоит из блокатора +1 дБм и полезного сигнала -75 дБм. В этом случае большой блокировщик может создать нежелательные выбросы на выходе АЦП из-за нелинейности АЦП. Эти нежелательные выбросы показаны фиолетовыми компонентами на рисунке 2.

Если помеха находится достаточно близко к полезному сигналу и достаточно велика, она может ухудшить отношение сигнал/шум до неприемлемого уровня. Строгие требования современных систем связи могут потребовать высоких значений SFDR в диапазоне 95 дБ. Однако обычный АЦП не может обеспечить такой уровень линейности. Ниже приведена таблица 1, в которой сравниваются некоторые ключевые параметры четырех высокопроизводительных АЦП от Analog Devices. Она поможет вам составить представление о диапазоне SFDR в высокопроизводительных АЦП.

Кроме того, в этой таблице показан компромисс между показателями SNR и SFDR. Для первых трех АЦП в этой таблице, которые используют одну и ту же технологию микросхем и имеют одинаковое энергопотребление, существует обратная зависимость между SFDR и SNR. Чуть позже в этой статье мы поговорим о происхождении этого компромисса. Перед этим давайте ответим на важный вопрос: каковы основные ограничения на увеличение SFDR в высокоскоростных АЦП?

АЦП представляют собой сложные системы, разработанные на основе ряда различных схемных архитектур, таких как флэш-память, SAR, дельта-сигма (ΔΣ) и конвейерные структуры. В зависимости от архитектуры и конкретной реализации схемы, различные компоненты схемы могут быть основным источником нелинейности. Хотя существует множество конструкций, мы все же можем выделить два основных ограничения на увеличение SFDR в высокоскоростных АЦП, а именно схему S/H и часть кодера АЦП. Чтобы лучше понять это, рассмотрим блок-схему АЦП SAR, изображенную на рисунке 3.

Первым шагом в алгоритме оцифровки SAR является этап выборки, во время которого S/H получает входное значение. Эта выборка будет храниться на протяжении всего этапа преобразования. На этапе преобразования полученная выборка последовательно сравнивается с соответствующими пороговыми уровнями, чтобы найти цифровой эквивалент входных данных. Для определения каждого бита вывода требуется один такт. Предполагая, что фаза выборки также занимает один такт, нам понадобится N + 1 такт для N-разрядного АЦП SAR. На рисунке 4 показаны выходные сигналы S/H и пороговые сигналы для 3-разрядного АЦП SAR.

Важным моментом здесь является то, что на данной фазе преобразования компоненты схемы, следующие за S/H, идеально работают с сигналом постоянного тока независимо от входной частоты. Следовательно, любая нелинейность внутри компаратора или внутреннего ЦАП (цифро-аналогового преобразователя) АЦП SAR не будет меняться с изменением входной частоты. Можно сказать, что нелинейность кодирующей части АЦП способствует статической (или постоянной) нелинейности системы. Статическая нелинейность характеризуется ошибками DNL (дифференциальная нелинейность) и INL (интегральная нелинейность) в передаточной функции АЦП.