在雷达、导航等军事领域中，由于信号带宽宽（有时可能高于10MHz），要求ADC的采样率高于30MSPS，分辨率大于10位。目前高速高分辨率ADC器件在采样率高于10MSPS时，量化位数可达14位，但实际分辨率受器件自身误差和威廉希尔官方网站
噪声的影响很大。在数字通信、数字仪表、软件无线电等领域中应用的高速ADC威廉希尔官方网站
，在输入信号低于1MHz时，实际分辨率可达10位，但随输入信号频率的增加下降很快，不能满足军事领域的使用要求。
针对这一问题，本文主要研究在不采用过采样、数字滤波和增益自动控制等技术条件下，如何提高高速高分辨率ADC威廉希尔官方网站
的实际分辨率，使其最大限度地接近ADC器件自身的实际分辨率，即最大限度地提高ADC威廉希尔官方网站
的信噪比。为此，本文首先从理论上分析了影响ADC信噪比的因素；然后从威廉希尔官方网站
设计和器件选择两方面出发，设计了高速高分辨率ADC威廉希尔官方网站
。经实测表明，当输入信号频率为0．96MHz时，该威廉希尔官方网站
的实际分辨率为11．36位；当输入信号频率为14．71MHz日寸，该威廉希尔官方网站
的实际分辨率为10．88位。
1 影响ADC信噪比因素的理论分析
ADC的实际分辨率是用有效位数ENOB标称的。不考虑过采样，当满量程单频理想正弦波输入时，实际分辨率可用下式表示：
ENOB=［SINA0（dB）-1．76］／6．02 （1）
式中，SINAD表示ADC的信噪失真比，指ADC满量程单频理想正弦波输入信号的有效值与ADC输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率分量（包括谐波分量，但不包括直流允量）的总有效值之比。
ADC的信噪比SNR，指ADC满量程单频理想正弦波输入信号的有效值与ADC输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率分量（不包括直流分量和谐波分量）总有效值之比。
由此可知，当ADC的总谐波失真THD一定时，有效位数ENOB取决于SNR；ADC的SNR越高，其有效位数ENOB就越高。下面就来分析影响ADC信噪比SNR的因素。
理想ADC的噪声由其固有的量化误差（也称为量化噪声，如图1所示）产生。但实际使用的ADC是非理想器件，它的实际转换曲线与理想转换曲线之间存在偏差，表现为多种误差，如零点误差、满度误差、增益误差、积分非线性误差INL、微分非线性误差DNL等。其中，零点误差、满度误差、增益误差是恒定误差，只影响ADC的绝对精度，不影响ADC的SNR。INL指的是在校准上述恒定误差的基础上，ADC实际转换曲线与理想转换曲线的最大偏差。而DNL指的是ADC实际量化间隔与理想量化间隔的最大偏差，改变ADC的量化误差，能更直接地计算出ADC实际转换曲线与理想转换曲线的偏差对ADC的SNR的影响。
非理想ADC，除了上述误差外，还有各种噪声，如热噪声、孔径抖动。前者是由半导体器件内部分子热运动产生的，后者是由ADC孔径延时的不确定性造成的。而ADC的外围威廉希尔官方网站
同样会带来噪声，如ADC输入级威廉希尔官方网站
的热噪声、电源／地线上的杂波、空间电磁波干扰、外接时钟的不稳定性（导致ADC各采样时钟沿出现时刻不确定，带来孔径抖动）等，可以把它们都等效为ADC的上述两种内部噪声。
上述误差和噪声的存在，导致ADC的SNR下降。下面先给出理想ADC的SNR计算公式，然后具体分析微分非线性误差DNL、孔径抖动△tj和热噪声对ADC的SNR的影响。
1．1 理想ADC的SNR
理想ADC的量化误差g（υ）与满量程内输入信号的电压V的关系如图1所示。量化误差为在［-q/2，q/2］内均匀分布且峰-峰值等于q（q=1LSB，LSB表示理想ADC的最小量化间隔）的锯齿波信号。
设N位ADC满量程电压为±1V，输入信号为s（t）=sinωt，则输入信号电压有效值Vs=1/√2=2N/2√2×q，量化噪声电压有效值于是得ADC输出信噪比为
SNR=6．02N+1．76（dB）
1．2 微分非线性误差DNL
非理想ADC的量化间隔是非等宽的，这将导致ADC器件不能完全正确地把模拟信号转化成相应的二进制码，从而造成SNR的下降；且ADC每个量化的二进制码所对应的量化间隔都不同，为便于分析，用ε（LSB）= εq表示实际量化间隔与理想量化间隔误差的有效值，并近似认为由于DNL的影响，在无失码条件（DNL《1LSB）下，量化误差均匀分布在［-上q+εq/2，q+εq/2］和［-q－εq/2，q－εq/2］内。如图1 中实线所示（虚线伪理想ADC量化误差）。这样，在考虑了DNL之后的ADC量化噪声电压Vq_DNL为：
1．3 孔径抖动△tj
孔径时间又称孔径延迟时间，是指对ADC发出采样命令（采样时钟边沿）时刻与实际开始采样时刻之间的时间间隔。相邻两次采样的孔径时间的偏差称为孔径抖动，记作△tj。孔径抖动造成了信号的非均匀采样，引起了误差，设ADC满量程电压为±1V输入信号为s（t）=sinωt，孔径抖动有效值为σ△tj，则由孔径抖动带来的误差电压为：
1．4 热噪声
这里将ADC威廉希尔官方网站
中微分非线性误差DNL、孔径抖动△tj外的其它噪声都等效为ADC输入端的热噪声电压Vtn，设其有效值为σtn。
1．5 非理想ADC的SNR
一般情况下，量化噪声、微分非线性误差DNL、孔径抖动△tj和热噪声彼此相互独立，综合芍虑这四个因素的影响，可得到ADC的SNR计算公式如卡：
式中，N--ADC的量化位数
ε--ADC的实际量化间隔与理想量化间隔误差的有效值，单位LSB
fin--ADC输入信号频率，单位Hz
σ△tj--ADC的孑L径抖动有效值，单位s
σtn--等效到ADC输入端的热噪声的有效值单位LSB
对于高分辨率ADC器件，其固有量化误差、微分非线性误差DNL和器件热噪声均较小。当fin较高时，ADC威廉希尔官方网站
的SNR主要取决于孔径抖动，此时有
2 基于AD6644AST一65的高速高分辨率ADC威廉希尔官方网站
设计实例
威廉希尔官方网站
设计目标：有效位数ENOB≥10．50bit、采样率为40MSPS、输入信号频率小于15MHz，输入信号幅度为-ldBFs。该指标能满足数字仪表、高速数据采集卡、软件无线电和雷达、导航等领域中数字波束形成的要求。
2．1 威廉希尔官方网站
设计与器件选择
本威廉希尔官方网站
主要由模／数转换器ADC、输入威廉希尔官方网站
、输出屯路、时钟威廉希尔官方网站
和电源威廉希尔官方网站
组成，如图2所示。
2．1．1 时钟威廉希尔官方网站
时钟威廉希尔官方网站
的设计主要包括AD6644AST-65采样时钟相位噪声指标的确定以及PECL差分时钟的实现。
ADC威廉希尔官方网站
的孔径抖动有效值σ△tj，包括ADC器件自
2．1．2 ADC输入威廉希尔官方网站
ADC输入威廉希尔官方网站
多采用运放直流耦合或变压器交流耦合方式，为输入信号提供增益、偏置和缓冲。
由于运放为有源器件，除具有一定的谐波失真外，还存在主要集中在低频段的1／f噪声和较宽频带内的白噪声。这些噪声和谐波失真都降低了运放的信噪比SNR和有效位数ENOB。当运放的SNR不明显优于甚至低于ADC的SNR时，它带来的噪声是不容忽视的，对于高分辨率ADC威廉希尔官方网站
，甚至是不能接受的。而作为无源器件的变压器，一般认为它的噪声和谐波失真是微乎其微、可以忽略的。因此，本威廉希尔官方网站
的输入威廉希尔官方网站
采用变压器交流耦合方式，选用Mini-Circuits公司的变压器T4-6T。
为进行比较，同时也提供运放直流耦合方式，采用ADI公司的低噪运放AD8138。根据AD8138的关参数，计算得到的AD8138输出的总谐波失真和热噪声之和大于1LSB。该指标可能导致无法满足威廉希尔官方网站
热噪声不大于1．50LSB的设计要求，并带来更大的谐波失真。因此可预知，采用AD8138时，ADC威廉希尔官方网站
的有效位数ENOB会比采用变压器时的有效位数ENOB有所下降，甚至达不到设计要求。
2．1．3 ADC输出威廉希尔官方网站
ADC的模拟输入和数据输出之间存在少量的寄生电容，ADC数据输出线上的噪声会通过这些寄生电容耦合到模拟输入端，导致ADC的SNR和有效位数ENOB下降。为解决这一问题，可在ADC数据输出端接一锁存器。
为减小ADC电源的波动，应尽量降低ADC输出端的负载电容和输出电流。在ADC数据输出端接一锁存器可避免将其直接连在数据总线上，有效限制了其输出端的负载电容；在ADC每一个数据输出端都串联一个电阻，可限制其输出电流。
本威廉希尔官方网站
采用74LC574作为AD6644AST-65的输出数据锁存器，同时每一个数据输出端都串联一个100Ω的电阻。
2．1．4 电源、地和去耦威廉希尔官方网站
AD6644AST-65的电源抑制比PSRR≈±lmV／V，当外接电源的纹波为峰-峰值100mV时，等效于在AD6644AST-65输入端产生100μV（0．77LSB）大小的噪声，这相对于设计指标而言是不能接受的。为减小外接电源对威廉希尔官方网站
的影响，本威廉希尔官方网站
采用Linear公司的低压差LDO线性稳压器LTl086-5和LTlll7-3．3（两个芯片的PSRR均大于60dB） 对外接稳压电源进行稳压，为AD6644AST-65等模拟威廉希尔官方网站
提供5V电源和3．3V电源。
时钟、ADC的输出信号以及后级数字威廉希尔官方网站
的数字信号的跳变都会引起电源电流的急剧变化，由于印刷威廉希尔官方网站
板的电源线和地线上存在分布电阻、电容和电感，当有变化的电流经过时，其上的压降也随之变化；频率较高时，就表现为电地间的高频杂波。为降低这类杂波干扰，本威廉希尔官方网站
采取以下措施：
· 时钟威廉希尔官方网站
的5V电源，由VCC_5VA串联一磁珠FB得到；
· AD6644AST-65后级数字威廉希尔官方网站
的3．3V电源，由VCC_3．3VA串联一磁珠FB得到；
· 模拟地和数字地分开布线，并在一点用磁珠FB相连；
· ADC的所有电源管脚都就近对地接去耦电容。
磁珠对MHz级以上的信号有较好的吸收作用，能有效降低时钟电源、数字电源对AD6644AST-65模拟电源的影响，以及数字地对模拟地的影响。
去耦对于高速高分辨率ADC威廉希尔官方网站
尤为重要。为此，本威廉希尔官方网站
采用0．01μF的NPO材料（属低损耗、超稳定的电容材料，电气特性基本上不随温度、电压、时间的变化而变化，自谐振频率较高，适用于高频场合）自0 1206封装的贴片电容和0．1μF的X7R材料（属稳定性电容材料，电气特性随温度、电压、时间变化不明显，适用于中、低频场合）的0805封装的贴片电容并联，有效地滤除电地间较宽频带的杂波。
2．1．5 威廉希尔官方网站
板的布局布线
ADC界于模拟威廉希尔官方网站
和数字威廉希尔官方网站
之间，且通常被划归为模拟威廉希尔官方网站
。为减小数字威廉希尔官方网站
的干扰，应将模拟威廉希尔官方网站
和数字威廉希尔官方网站
分开布局；为减小信号线上的分布电阻、电容和电感，应尽量缩短导线长度和增大导线之间的距离；为减小电源线和地线的阻抗，应尽量增大电源线和地线的宽度，或采用电源平面、地平面。本威廉希尔官方网站
在设计印刷威廉希尔官方网站
板时，都遵循了以上原则。
2．2 威廉希尔官方网站
测试结果
采用信号发生器HP8640B产生0~15MHz的单频正弦信号，经相应带通滤波器滤波（各次谐波均小于-90dBc）后作为本威廉希尔官方网站
的输入信号，滤波后信号在AD6644AST-65输入端幅度为-ldBFs。
AD6644AST-65输出数字信号经74LC574锁存后，存储于逻辑分析仪HPl6702A中。HPl6702A状态分析时钟取自AD6644AST-65的DRY管脚，该信号频率和AD6644AST-65采样时钟频率一致，为40MHz。
通过对逻辑分析仪HPl6702A每次存储的数字信号进行16384点FFT分析，可得到奈奎斯特带宽内总功率PΣ、输入信号功率只以及总谐波失真与噪声功率之和Pn+THD=PΣ-Ps。经计算得到威廉希尔官方网站
的有效位数ENOB=［SINAD（dB）-1．76］／6．02=［Ps （dB）-Pn+THD （dB）-1．76］／6．02。
图3（a）、（b）、（c）为在三种不同测试条件下，AD6644AST-65输出数字信号的FFT分析频谱图和有效位数ENOB。
图3（c）表明，当fin=0．96MHz、AD6644AST-65输入端采用运放AD8138直流耦合时，威廉希尔官方网站
热噪声和谐波失真明显增加，威廉希尔官方网站
的有效位数ENOB约为10．74bit，比图3（a）的ENOB小0．6bit左右。由此可见，有源器件对高速高分辨率ADC威廉希尔官方网站
性能的影响是很大的。
理论分析和实际威廉希尔官方网站
的测试结果都说明，高速高分辨率ADC威廉希尔官方网站
设计应选用低噪器件；当输入信号频率较高时，应选用低相位抖动的时钟源；在进行威廉希尔官方网站
扳布局布线时，应注意电源噪声的抑制和减小数字威廉希尔官方网站
对模拟威廉希尔官方网站
的影响。
在雷达、导航等军事领域中，由于信号带宽宽（有时可能高于10MHz），要求ADC的采样率高于30MSPS，分辨率大于10位。目前高速高分辨率ADC器件在采样率高于10MSPS时，量化位数可达14位，但实际分辨率受器件自身误差和威廉希尔官方网站
噪声的影响很大。在数字通信、数字仪表、软件无线电等领域中应用的高速ADC威廉希尔官方网站
，在输入信号低于1MHz时，实际分辨率可达10位，但随输入信号频率的增加下降很快，不能满足军事领域的使用要求。
针对这一问题，本文主要研究在不采用过采样、数字滤波和增益自动控制等技术条件下，如何提高高速高分辨率ADC威廉希尔官方网站
的实际分辨率，使其最大限度地接近ADC器件自身的实际分辨率，即最大限度地提高ADC威廉希尔官方网站
的信噪比。为此，本文首先从理论上分析了影响ADC信噪比的因素；然后从威廉希尔官方网站
设计和器件选择两方面出发，设计了高速高分辨率ADC威廉希尔官方网站
。经实测表明，当输入信号频率为0．96MHz时，该威廉希尔官方网站
的实际分辨率为11．36位；当输入信号频率为14．71MHz日寸，该威廉希尔官方网站
的实际分辨率为10．88位。
1 影响ADC信噪比因素的理论分析
ADC的实际分辨率是用有效位数ENOB标称的。不考虑过采样，当满量程单频理想正弦波输入时，实际分辨率可用下式表示：
ENOB=［SINA0（dB）-1．76］／6．02 （1）
式中，SINAD表示ADC的信噪失真比，指ADC满量程单频理想正弦波输入信号的有效值与ADC输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率分量（包括谐波分量，但不包括直流允量）的总有效值之比。
ADC的信噪比SNR，指ADC满量程单频理想正弦波输入信号的有效值与ADC输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率分量（不包括直流分量和谐波分量）总有效值之比。
由此可知，当ADC的总谐波失真THD一定时，有效位数ENOB取决于SNR；ADC的SNR越高，其有效位数ENOB就越高。下面就来分析影响ADC信噪比SNR的因素。
理想ADC的噪声由其固有的量化误差（也称为量化噪声，如图1所示）产生。但实际使用的ADC是非理想器件，它的实际转换曲线与理想转换曲线之间存在偏差，表现为多种误差，如零点误差、满度误差、增益误差、积分非线性误差INL、微分非线性误差DNL等。其中，零点误差、满度误差、增益误差是恒定误差，只影响ADC的绝对精度，不影响ADC的SNR。INL指的是在校准上述恒定误差的基础上，ADC实际转换曲线与理想转换曲线的最大偏差。而DNL指的是ADC实际量化间隔与理想量化间隔的最大偏差，改变ADC的量化误差，能更直接地计算出ADC实际转换曲线与理想转换曲线的偏差对ADC的SNR的影响。
非理想ADC，除了上述误差外，还有各种噪声，如热噪声、孔径抖动。前者是由半导体器件内部分子热运动产生的，后者是由ADC孔径延时的不确定性造成的。而ADC的外围威廉希尔官方网站
同样会带来噪声，如ADC输入级威廉希尔官方网站
的热噪声、电源／地线上的杂波、空间电磁波干扰、外接时钟的不稳定性（导致ADC各采样时钟沿出现时刻不确定，带来孔径抖动）等，可以把它们都等效为ADC的上述两种内部噪声。
上述误差和噪声的存在，导致ADC的SNR下降。下面先给出理想ADC的SNR计算公式，然后具体分析微分非线性误差DNL、孔径抖动△tj和热噪声对ADC的SNR的影响。
1．1 理想ADC的SNR
理想ADC的量化误差g（υ）与满量程内输入信号的电压V的关系如图1所示。量化误差为在［-q/2，q/2］内均匀分布且峰-峰值等于q（q=1LSB，LSB表示理想ADC的最小量化间隔）的锯齿波信号。
设N位ADC满量程电压为±1V，输入信号为s（t）=sinωt，则输入信号电压有效值Vs=1/√2=2N/2√2×q，量化噪声电压有效值于是得ADC输出信噪比为
SNR=6．02N+1．76（dB）
1．2 微分非线性误差DNL
非理想ADC的量化间隔是非等宽的，这将导致ADC器件不能完全正确地把模拟信号转化成相应的二进制码，从而造成SNR的下降；且ADC每个量化的二进制码所对应的量化间隔都不同，为便于分析，用ε（LSB）= εq表示实际量化间隔与理想量化间隔误差的有效值，并近似认为由于DNL的影响，在无失码条件（DNL《1LSB）下，量化误差均匀分布在［-上q+εq/2，q+εq/2］和［-q－εq/2，q－εq/2］内。如图1 中实线所示（虚线伪理想ADC量化误差）。这样，在考虑了DNL之后的ADC量化噪声电压Vq_DNL为：
1．3 孔径抖动△tj
孔径时间又称孔径延迟时间，是指对ADC发出采样命令（采样时钟边沿）时刻与实际开始采样时刻之间的时间间隔。相邻两次采样的孔径时间的偏差称为孔径抖动，记作△tj。孔径抖动造成了信号的非均匀采样，引起了误差，设ADC满量程电压为±1V输入信号为s（t）=sinωt，孔径抖动有效值为σ△tj，则由孔径抖动带来的误差电压为：
1．4 热噪声
这里将ADC威廉希尔官方网站
中微分非线性误差DNL、孔径抖动△tj外的其它噪声都等效为ADC输入端的热噪声电压Vtn，设其有效值为σtn。
1．5 非理想ADC的SNR
一般情况下，量化噪声、微分非线性误差DNL、孔径抖动△tj和热噪声彼此相互独立，综合芍虑这四个因素的影响，可得到ADC的SNR计算公式如卡：
式中，N--ADC的量化位数
ε--ADC的实际量化间隔与理想量化间隔误差的有效值，单位LSB
fin--ADC输入信号频率，单位Hz
σ△tj--ADC的孑L径抖动有效值，单位s
σtn--等效到ADC输入端的热噪声的有效值单位LSB
对于高分辨率ADC器件，其固有量化误差、微分非线性误差DNL和器件热噪声均较小。当fin较高时，ADC威廉希尔官方网站
的SNR主要取决于孔径抖动，此时有
2 基于AD6644AST一65的高速高分辨率ADC威廉希尔官方网站
设计实例
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设计目标：有效位数ENOB≥10．50bit、采样率为40MSPS、输入信号频率小于15MHz，输入信号幅度为-ldBFs。该指标能满足数字仪表、高速数据采集卡、软件无线电和雷达、导航等领域中数字波束形成的要求。
2．1 威廉希尔官方网站
设计与器件选择
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主要由模／数转换器ADC、输入威廉希尔官方网站
、输出屯路、时钟威廉希尔官方网站
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组成，如图2所示。
2．1．1 时钟威廉希尔官方网站
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的设计主要包括AD6644AST-65采样时钟相位噪声指标的确定以及PECL差分时钟的实现。
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2．1．2 ADC输入威廉希尔官方网站
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多采用运放直流耦合或变压器交流耦合方式，为输入信号提供增益、偏置和缓冲。
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热噪声不大于1．50LSB的设计要求，并带来更大的谐波失真。因此可预知，采用AD8138时，ADC威廉希尔官方网站
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2．1．3 ADC输出威廉希尔官方网站
ADC的模拟输入和数据输出之间存在少量的寄生电容，ADC数据输出线上的噪声会通过这些寄生电容耦合到模拟输入端，导致ADC的SNR和有效位数ENOB下降。为解决这一问题，可在ADC数据输出端接一锁存器。
为减小ADC电源的波动，应尽量降低ADC输出端的负载电容和输出电流。在ADC数据输出端接一锁存器可避免将其直接连在数据总线上，有效限制了其输出端的负载电容；在ADC每一个数据输出端都串联一个电阻，可限制其输出电流。
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AD6644AST-65的电源抑制比PSRR≈±lmV／V，当外接电源的纹波为峰-峰值100mV时，等效于在AD6644AST-65输入端产生100μV（0．77LSB）大小的噪声，这相对于设计指标而言是不能接受的。为减小外接电源对威廉希尔官方网站
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板的电源线和地线上存在分布电阻、电容和电感，当有变化的电流经过时，其上的压降也随之变化；频率较高时，就表现为电地间的高频杂波。为降低这类杂波干扰，本威廉希尔官方网站
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的5V电源，由VCC_5VA串联一磁珠FB得到；
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磁珠对MHz级以上的信号有较好的吸收作用，能有效降低时钟电源、数字电源对AD6644AST-65模拟电源的影响，以及数字地对模拟地的影响。
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2．2 威廉希尔官方网站
测试结果
采用信号发生器HP8640B产生0~15MHz的单频正弦信号，经相应带通滤波器滤波（各次谐波均小于-90dBc）后作为本威廉希尔官方网站
的输入信号，滤波后信号在AD6644AST-65输入端幅度为-ldBFs。
AD6644AST-65输出数字信号经74LC574锁存后，存储于逻辑分析仪HPl6702A中。HPl6702A状态分析时钟取自AD6644AST-65的DRY管脚，该信号频率和AD6644AST-65采样时钟频率一致，为40MHz。
通过对逻辑分析仪HPl6702A每次存储的数字信号进行16384点FFT分析，可得到奈奎斯特带宽内总功率PΣ、输入信号功率只以及总谐波失真与噪声功率之和Pn+THD=PΣ-Ps。经计算得到威廉希尔官方网站
的有效位数ENOB=［SINAD（dB）-1．76］／6．02=［Ps （dB）-Pn+THD （dB）-1．76］／6．02。
图3（a）、（b）、（c）为在三种不同测试条件下，AD6644AST-65输出数字信号的FFT分析频谱图和有效位数ENOB。
图3（c）表明，当fin=0．96MHz、AD6644AST-65输入端采用运放AD8138直流耦合时，威廉希尔官方网站
热噪声和谐波失真明显增加，威廉希尔官方网站
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