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應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的超低抖動(dòng)時(shí)鐘電路

發(fā)布時(shí)間:2021-11-18 來(lái)源:李海濤,李斌康等 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】分析了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)采樣時(shí)鐘抖動(dòng)的要求,給出了時(shí)鐘相位噪聲和時(shí)鐘抖動(dòng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系;采用HITTITE的HMC1035LP6GE頻率綜合芯片作為主芯片,設(shè)計(jì)了時(shí)鐘生成電路,2 500 MHz輸出時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)量值90 fs(整數(shù)工作模式,輸入頻率100 MHz,鑒相頻率100 MHz,環(huán)路濾波帶寬127 kHz,積分區(qū)間[10 kHz,10 MHz])。對(duì)比時(shí)鐘生成電路在各種工作模式下的性能,給出了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)指南。


引 言


近些年來(lái),國(guó)內(nèi)對(duì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究如火如荼,取得很多的成果。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,有幾個(gè)性能經(jīng)常被比較提出,包括:模擬輸入帶寬、采樣率、分辨率、有效位和存儲(chǔ)深度等,前4個(gè)指標(biāo)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端來(lái)決定(數(shù)字增強(qiáng)型的輸入帶寬、數(shù)字增強(qiáng)型的分辨率和數(shù)字增強(qiáng)型的有效位不在討論之列)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端主要包括了前端模擬信號(hào)調(diào)理電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to digital converter, ADC)、超低抖動(dòng)時(shí)鐘產(chǎn)生電路等。


目前,很多應(yīng)用場(chǎng)合都使用具有高采集率、高分辨率的ADC,為充分利用ADC的帶寬、采樣率、分辨率和有效位等性能,必須為ADC選擇極低噪聲的模擬信號(hào)調(diào)理電路、超低抖動(dòng)的時(shí)鐘產(chǎn)生電路和超低紋波電源產(chǎn)生電路等。以下將重點(diǎn)討論ADC的有效位指標(biāo),影響ADC的有效位(Effective number of bits,ENOB)的因素很多,包括ADC自身因素(ADC的孔徑抖動(dòng)(Aperture jitter)、ADC的量化噪聲(Quantization noise)、ADC的非線性等、模擬輸入信號(hào)噪聲、采樣時(shí)鐘抖動(dòng)、電源紋波噪聲等,信噪比(Signal to noise ration, SNR)具體可參考式(1),該公式的描述中未體現(xiàn)電源紋波噪聲,或者已經(jīng)將電源紋波噪聲等效在其他因素中[1?5]。


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式中:fin為滿量程(ADC輸入量程)模擬輸入的標(biāo)準(zhǔn)正弦波頻率;tjrms為ADC的孔徑抖動(dòng)和采樣時(shí)鐘抖動(dòng)的均方根值;ε為ADC的非線性,包含了積分非線性和微分非線性;N為ADC量化位數(shù);VNOISErms為模擬輸入噪聲。在模擬輸入滿量程(不考慮幅度修正問(wèn)題)且tjrms=0、ε=0、VNOISErms=0的情況下,僅考慮ADC量化噪聲貢獻(xiàn),得到ADC的理想信噪比為


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式中信納比(Signal to noise and distortion ratio, SINAD)為信號(hào)功率與噪聲、諧波功率之比;ENOB為ADC的實(shí)際有效位數(shù)。


在模擬輸入滿量程且ε=0、VNOISErms=0的情況下,將量化噪聲等效到tjrms中,得到僅由抖動(dòng)貢獻(xiàn)的SINAD(如式(3))[6]。此處亦可以考慮成將其余因素全部等效為抖動(dòng)tjrms的貢獻(xiàn),則


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在模擬輸入滿量程且tjrms=0、VNOISErms=0的情況下,將量化噪聲等效到ε中,得到僅由非線性動(dòng)貢獻(xiàn)的SINAD(如式(4))。此處亦可以考慮成,將其余因素全部等效為非線性ε的貢獻(xiàn)。


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可以看到, fin、tjrms、ε、VNOISErms與外部輸入相關(guān),可以通過(guò)降低采樣時(shí)鐘抖動(dòng)、降低電源噪聲和提高模擬輸入信號(hào)品質(zhì)等途徑,提高ADC的有效位數(shù)ENOB[7]。應(yīng)用舉例:在輸入信號(hào)頻率 fin=125 MHz且要求ADC有效位ENOB=10 bits情況下,根據(jù)式(2,3)得到:等效抖動(dòng)tjrms=1.02 ps,此處的等效抖動(dòng)包括了ADC的自身因素和各種外界因素的貢獻(xiàn),實(shí)際對(duì)采樣時(shí)鐘抖動(dòng)的要求更高。若在輸入信號(hào)頻率 fin=125 MHz且要求ADC有效位ENOB=14 bits情況下,根據(jù)式(2)和式(3)得到:等效抖動(dòng)tjrms=64 fs??梢钥闯觯瑢?duì)于高頻輸入模擬信號(hào)且高有效位的ADC設(shè)計(jì),低抖動(dòng)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵,降低采樣時(shí)鐘抖動(dòng),不僅能夠提高ADC有效位ENOB,還能夠提高ADC的模擬輸入帶寬[8]。


1 時(shí)鐘相位噪聲和時(shí)鐘抖動(dòng)


數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中經(jīng)常提到的時(shí)鐘相位噪聲和時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo),兩者是同一項(xiàng)時(shí)鐘性能在頻域和時(shí)域的不同表現(xiàn)形式,本質(zhì)是衡量時(shí)鐘短期穩(wěn)定性的指標(biāo)。時(shí)鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定性使用頻率漂移(Frequency drift)來(lái)描述,其短期穩(wěn)定性使用時(shí)鐘抖動(dòng)(Clock jitter)或者時(shí)鐘相位噪聲( Clock phase noise)來(lái)描述[9?11]。


時(shí)鐘抖動(dòng)(Clock jitter)。表示時(shí)鐘抖動(dòng)的方法有多種[12]:周期抖動(dòng)(Period jitter)、周期到周期抖動(dòng)(Cycle to cycle jitter)、時(shí)間間隔誤差(Time interval error)等,其中周期抖動(dòng)比較常見(jiàn)。


相位噪聲。L(f)定義為在1 Hz的帶寬劃分下,頻率fm處的功率與時(shí)鐘中心頻率f0(亦稱載波頻率fc)的功率之比,如式(5),一般用 dBc/Hz表示[13],有的文獻(xiàn)中將S(fm)寫(xiě)成PN(fm),其中S代表頻譜(Spectrum);PN代表相位噪聲,S(f)為時(shí)鐘的功率譜密度 (Power spectrum density,PSD)函數(shù),單位為W/Hz。


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以下討論的時(shí)鐘抖動(dòng)指的是時(shí)鐘周期抖動(dòng),將時(shí)鐘周期抖動(dòng)和相位噪聲關(guān)聯(lián)起來(lái)并進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換,需要借助于相位抖動(dòng)(Phase jitter)。相位抖動(dòng)定義為相位噪聲功率譜密度上一定頻帶內(nèi)的相位噪聲能量總和,如式(6),單位弧度,式中,f1,f2為頻率積分區(qū)間的下限、上限。相位抖動(dòng)是一個(gè)頻域的概念,頻域的相位抖動(dòng)和時(shí)域的周期抖動(dòng)之間換算關(guān)系為


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關(guān)于相位抖動(dòng)的頻率積分區(qū)間[f1,f2],理論上講,積分區(qū)間下限f1應(yīng)該盡量低,f1為1 Hz、10 Hz等,帶寬上限應(yīng)盡量高, f2為2 f0、+∞+∞。實(shí)際使用時(shí),需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合調(diào)整頻率積分區(qū)間 [12],例如:光纖通道的時(shí)鐘抖動(dòng)的積分區(qū)間為[637 kHz,10 MHz],10 GHz以太網(wǎng)XAUI中時(shí)鐘抖動(dòng)的積分區(qū)間為[1.875 MHz,20 MHz],SATA/SAS的時(shí)鐘抖動(dòng)的積分區(qū)間為[900 kHz,7 MHz][14]。


2 時(shí)鐘產(chǎn)生電路


根據(jù)以上理論分析,為了使ADC芯片可以實(shí)現(xiàn)最佳性能,需要為其提供超低抖動(dòng)的時(shí)鐘信號(hào)。選用了HITTITE公司(已被ADI收購(gòu))的HMC1035LP6GE[15?17](以下簡(jiǎn)稱HMC1035)時(shí)鐘產(chǎn)生芯片(或稱為頻率綜合芯片),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了超低抖動(dòng)時(shí)鐘產(chǎn)生電路,主要驗(yàn)證以下功能:(1)實(shí)現(xiàn)整數(shù)模式和小數(shù)模式下時(shí)鐘頻率輸出,比較兩者的時(shí)鐘抖動(dòng)。(2)整數(shù)模式下鑒相頻率(Phase detector frequency, PFD)對(duì)輸出時(shí)鐘抖動(dòng)的影響。(3)供電電源對(duì)HMC1035輸出的影響等。HMC1035工作在整數(shù)模式、50 MHz輸入、2 500 MHz輸出的時(shí)鐘抖動(dòng)典型值為97 fs[12 kHz,20 MHz],622.08 MHz輸出的時(shí)鐘抖動(dòng)典型值為107 fs[12 kHz,20 MHz]。


圖1為時(shí)鐘產(chǎn)生電路的原理圖。高穩(wěn)參考信號(hào)源采用的是Crystek公司的CCHD?950?25?100M:輸出頻率為100 MHz[18],實(shí)際測(cè)量其時(shí)鐘抖動(dòng)為135 fs[10 kHz,10 MHz];高速信號(hào)扇出芯片采用HITTITE公司的HMC987LP5GE芯片[19],用于低噪聲時(shí)鐘分配,可以完成1∶9扇出緩沖器功能。


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圖 1 時(shí)鐘產(chǎn)生電路原理圖


PCB設(shè)計(jì)采用了4層板結(jié)構(gòu):L1(TOP,Signal)→L2(GND)→L3(Power)→L4(Bottom,Signal),F(xiàn)R?4板材,1.6 mm標(biāo)準(zhǔn)厚度。設(shè)計(jì)時(shí),TOP層、Bottom層走線阻抗控制,單線特征阻抗50 Ω,差分線特征阻抗100 Ω,Top、Bottom層表面鋪銅接地。電源設(shè)計(jì)采用外部電源供電,分析了2種供電方式對(duì)HMC1035輸出頻率的影響。關(guān)于高速電路的電源去耦的設(shè)計(jì),有很多專門的文章進(jìn)行論述[20?23],這里不再贅述。


HMC1035窄帶環(huán)路濾波的設(shè)計(jì)關(guān)系到PLL的頻率鎖定和時(shí)鐘噪聲濾除[24?25]:寬帶濾波器有利于鎖定但不利于濾除噪聲,窄帶濾波器有利于濾除噪聲但不利于鎖定,最終使用器件手冊(cè)上給出的127 kHz的無(wú)源四階低通環(huán)路濾波器。


需要特別指出的是,在工作時(shí),高速芯片引腳的連接,除了給定的NC引腳可以懸空之外,在芯片工作時(shí)需要使用的引腳,不推薦懸空,引腳一旦懸空,容易導(dǎo)致引腳狀態(tài)未知,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。設(shè)計(jì)的時(shí)鐘產(chǎn)生電路實(shí)物圖如圖2所示。


19.jpg圖 2 時(shí)鐘產(chǎn)生電路實(shí)物


3 時(shí)鐘電路測(cè)試


時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)試儀器采用ROHDE&SCHWARZ公司的FSW13頻譜與信號(hào)分析儀,采用標(biāo)準(zhǔn)配件,在進(jìn)行頻譜分析時(shí),積分區(qū)間[10 kHz,10 MHz]。


3.1 整數(shù)模式和小數(shù)模式下的時(shí)鐘抖動(dòng)比較


采用直流電壓源供電,直流電壓源型號(hào)Agilent E3631A,通過(guò)SPI配置HMC1035芯片,測(cè)量HMC1035在整數(shù)模式和小數(shù)模式輸出時(shí)鐘的抖動(dòng),其它工作條件都相同,得到表1。表1中HMC1035 2500 MHz?50M Hz?integer表示HMC1035頻率綜合芯片工作條件為整數(shù)模式、50 MHz鑒相器(Phase detector,PD)頻率、2 500 MHz 壓控振蕩器(Voltage controlled oscillator,VCO)頻率。HMC1035 2 500 MHz?50 MHz?fractional表示HMC1035頻率綜合芯片工作條件為小數(shù)模式、50 MHz PD頻率、2 500 MHz VCO頻率。測(cè)量得到高穩(wěn)參考信號(hào)輸出的100 MHz對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘抖動(dòng)典型值為135 fs(以下簡(jiǎn)稱為100 MHz VCXO jitter),高速信號(hào)扇出后的100 MHz信號(hào)時(shí)鐘抖動(dòng)典型值為152 fs(以下簡(jiǎn)稱為HMC987 fanout jitter),以下表1重復(fù)部分不再贅述。


表 1 整數(shù)模式和小數(shù)模式對(duì)HMC1035芯片輸出性能的影響

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整數(shù)模式下鎖相環(huán)(Phase lock loop, PLL)的輸出分頻率受限于PD的頻率步進(jìn)。小數(shù)模式的優(yōu)點(diǎn)在于可以提高PLL的輸出分辨率,顯著改善鎖定時(shí)間,但是小數(shù)模式下工作的PLL的輸出雜散水平較高,影響時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)??梢钥吹剑盒?shù)模式下的輸出時(shí)鐘抖動(dòng)明顯高于整數(shù)模式下的輸出時(shí)鐘抖動(dòng)[26?27]。原因在于整數(shù)模式下,不使用Σ?Δ調(diào)制器,降低了引入的時(shí)鐘抖動(dòng)。按照抖動(dòng)的平方根值理論,可以看到Σ?Δ調(diào)制器的抖動(dòng)貢獻(xiàn)約為 (1232-982)0.5=74 fs(2 500 MHz輸出頻率,單次,未考慮統(tǒng)計(jì)漲落)。此處同時(shí)給出2 488,622,77.76 MHz的輸出時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)量值,是為了與手冊(cè)給出的典型值進(jìn)行對(duì)比。


3.2 整數(shù)模式下PD工作頻率對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的影響


采用直流電壓源供電,HMC1035工作在整數(shù)模式下,PD工作頻率為100,50,10,1 MHz,測(cè)量輸出時(shí)鐘抖動(dòng)性能,結(jié)果如表2所示,分析PD工作頻率對(duì)輸出時(shí)鐘抖動(dòng)的影響。


表 2 PD工作頻率對(duì)HMC1035芯片輸出性能的影響

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PD有2個(gè)輸入端,一端接參考輸入頻率fxtal的R分頻,一端接VCO工作頻率fVCO的N分頻。PD穩(wěn)定工作在整數(shù)模式時(shí),PD無(wú)偏置,電流為0,此時(shí),只需要考慮PD工作頻率fPD對(duì)輸出時(shí)鐘抖動(dòng)的貢獻(xiàn),fPD表示為


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PD將fVCO的N分頻的反饋頻率與輸入?yún)⒖碱l率的某一分頻形式進(jìn)行鑒相,輸出一個(gè)電流,經(jīng)過(guò)積分和外部環(huán)路濾波,產(chǎn)生一個(gè)電壓,這個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)VCO提高或者降低頻率,使PD的輸出電流的等效電壓接近0,達(dá)到平衡。提高fPD,可以降低輸出時(shí)鐘相位噪聲,相位噪聲是在PD的最高工作頻率上加20 logR,因此R越大,PD工作頻率越低,相位噪聲越差,R增大一倍,相位噪聲降低3 dB,應(yīng)該使用可行的PD最高工作頻率,但實(shí)際往往需要均衡[28?29]。文章表格描述的大部分HMC1035的輸出時(shí)鐘抖動(dòng)都是基于50 MHz的fPD,該fPD為器件手冊(cè)推薦工作頻率;但是fPD為100 MHz時(shí),HMC1035的輸出時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)更優(yōu),只是鎖定時(shí)間增加,功耗增加。


3.3 整數(shù)模式下供電電源對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)的影響


HMC1035芯片在正常工作時(shí),其功耗比較高,為保證PLL的輸出性能,需要選擇好供電方式,并做好電源的去耦和PCB散熱等工作。在保證電源去耦的前提下,分析了直流電壓源(Agilent E3631A)供電和DC/DC開(kāi)關(guān)電源(PTH08T240W)供電對(duì)PLL芯片輸出性能的影響,如表3所示。另外給出了直流電壓源供電時(shí)HMC1035的典型相位噪聲曲線(圖3)。


表 3 直流供電和DC/DC電源供電對(duì)HMC1035芯片輸出性能的影響

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圖 3 HMC1035的典型相位噪聲示意圖


可以看出,開(kāi)關(guān)電源供電對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響很大,不僅增加了HMC1035的輸出時(shí)鐘抖動(dòng),而且增加了信號(hào)路徑上的所有時(shí)鐘抖動(dòng)。開(kāi)關(guān)電源供電對(duì)HMC1035的輸出時(shí)鐘抖動(dòng)貢獻(xiàn)較大,預(yù)估約為90 fs(2 500 MHz輸出頻率,單次,未考慮統(tǒng)計(jì)漲落),其貢獻(xiàn)主要來(lái)源于開(kāi)關(guān)頻率及其高次諧波的影響。采用外部直流電壓源供電后,HMC1035的輸出頻譜上,在300 kHz的開(kāi)關(guān)頻率附近依然有毛刺,如圖3所示。這是因?yàn)镾PI配置HMC1035、HMC987的工作狀態(tài)的芯片由開(kāi)關(guān)電源供電,SPI配置線路上未做好隔離處理,電源噪聲通過(guò)SPI配置線路耦合到HMC1035電路板上引起[30]。


3.4 分析與討論


受限于測(cè)量?jī)x器的指標(biāo)限制,本次實(shí)驗(yàn)給出的時(shí)鐘抖動(dòng)的積分區(qū)間為[10 kHz,10 MHz],器件手冊(cè)給出的時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)的積分區(qū)間為[12 kHz,20 MHz],根據(jù)測(cè)量得到的噪聲功率譜密度圖,可以從理論上推出積分區(qū)間[12 kHz,20 MHz]的時(shí)鐘抖動(dòng)[13]。


根據(jù)式(5),如圖3所示,計(jì)算得到,在[10 kHz,12 kHz]區(qū)間,噪聲功率的貢獻(xiàn)約為6×10-9 dBc量級(jí);在[10 MHz,20 MHz]的區(qū)間,噪聲功率的貢獻(xiàn)約為6×10-8 dBc量級(jí)。大致計(jì)算得到,在[10 kHz,10 MHz]區(qū)間,噪聲功率總體為10-6 dBc量級(jí)。在[10 kHz,10 MHz]區(qū)間噪聲功率基礎(chǔ)上,減去[10 kHz,12 kHz]區(qū)間的噪聲功率貢獻(xiàn),加上[10 MHz,20 MHz]區(qū)間的噪聲功率貢獻(xiàn),得到[12 kHz,20 MHz]區(qū)間的時(shí)鐘抖動(dòng)數(shù)值??梢远糠治觯琜10 kHz,12 kHz]區(qū)間的噪聲功率和[10 MHz,20 MHz]區(qū)間的噪聲功率,相對(duì)于[10 kHz,10 MHz]區(qū)間的噪聲功率小很多,理論上講,[12 kHz,20 MHz]區(qū)間時(shí)鐘抖動(dòng)比[10 kHz,10 MHz]區(qū)間的時(shí)鐘抖動(dòng)指標(biāo)稍低一些,但相差無(wú)幾。


以ADS5400為例說(shuō)明超低抖動(dòng)時(shí)鐘在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用,ADS5400孔徑抖動(dòng)aperture jitter為125 fsrms。當(dāng)fin=125 MHz,ENOB=10 bits時(shí),根據(jù)式(2,3),得出tjrms=1.02 ps[12 kHz,20 MHz]。與tjrms相比,ADC的孔徑抖動(dòng)可以忽略,HMC1035輸出采樣時(shí)鐘抖動(dòng)亦可以忽略,此處影響ADC有效位的因素主要為模擬輸入噪聲和電源紋波噪聲等其他因素。當(dāng)fin=125 MHz,ENOB=14 bits時(shí),根據(jù)式(2,3),得出tjrms=64 fs[12 kHz,20 MHz]。與tjrms相比,ADC的孔徑抖動(dòng)、HMC1035輸出采樣時(shí)鐘抖動(dòng)已經(jīng)無(wú)法滿足要求。當(dāng)fin=1 250 MHz,ENOB=10 bits時(shí),根據(jù)式(2,3),得出tjrms=102 fs[12 kHz,20 MHz],與tjrms相比,ADC的孔徑抖動(dòng)、HMC1035輸出采樣時(shí)鐘抖動(dòng)已經(jīng)無(wú)法有效滿足要求。同理,當(dāng)fin=1 250 MHz,ENOB=14 bits時(shí),根據(jù)式(2,3),得出tjrms=6.4 fs[12 kHz,20 MHz],目前所知的ADC芯片和時(shí)鐘產(chǎn)生電路都無(wú)法滿足要求,這種情況下,可以采用下變頻等方法對(duì)輸入高頻信號(hào)進(jìn)行下變頻之后采樣,降低對(duì)ADC芯片和時(shí)鐘產(chǎn)生電路的要求。該方法在加速器的低電平控制(Low level radio frequency, LLRF)、數(shù)字移動(dòng)通信等場(chǎng)景中應(yīng)用廣泛。


可以看到,針對(duì)低頻輸入信號(hào)、對(duì)有效位要求不高等情況時(shí),采樣時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)ADC有效位的影響較小,甚至可以忽略,這時(shí)需要注意低噪聲的模擬信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)和電源完整性設(shè)計(jì)等。針對(duì)高頻輸入信號(hào)、對(duì)有效位要求高等情況時(shí),采樣時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)ADC有效位的影響很大,需要精心設(shè)計(jì)采樣時(shí)鐘等以充分提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模擬輸入帶寬和有效位。


4 結(jié)束語(yǔ)


本文分析了影響高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有效位和帶寬的因素,推導(dǎo)給出時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)有效位的影響。并且研究時(shí)鐘相位噪聲和時(shí)鐘抖動(dòng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,給出了理論依據(jù)和轉(zhuǎn)換過(guò)程。


高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程,需要設(shè)計(jì)極低噪聲的模擬信號(hào)調(diào)理電路、超低抖動(dòng)的時(shí)鐘產(chǎn)生電路、超低紋波電源產(chǎn)生電路等。針對(duì)高頻輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、對(duì)有效位要求高等情況,選擇合適的時(shí)鐘產(chǎn)生方式、獲取超低抖動(dòng)采樣時(shí)鐘尤其重要。


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作者:李海濤,李斌康 ,阮林波,田耕,張雁霞



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