對于高速ADC,若要最大程度地提高SFDR,存在兩個基本限制：第一是前端放大器和采樣保持電路產(chǎn)生的失真;第二是ADC編碼器部分的實際傳遞函數(shù)的非線性所導致的失真。

　　提高SFDR的關(guān)鍵是盡可能降低以上兩種非線性。

　　要顯著降低ADC前端引起的固有失真，在ADC外部著力是徒勞的。然而，ADC編碼器傳遞函數(shù)的微分非線性可以通過適當利用擾動(即外部噪聲，與ADC的模擬輸入信號相加)來降低。

　　在一定的條件下，擾動可以改善ADC的SFDR(參考文獻2-5)。例如，即使在理想ADC中，量化噪聲與輸入信號也有某種相關(guān)性，這會降低ADC的SFDR,特別是當輸入信號恰好為采樣頻率的約數(shù)時。將寬帶噪聲(幅度約為? LSB rms)與輸入信號相加往往會使量化噪聲隨機化，從而降低其影響(見圖5A)。然而，在大多數(shù)系統(tǒng)中，信號之上有足夠的噪聲，因此無需額外添加擾動噪聲。ADC的折合到輸入端噪聲也可能足以產(chǎn)生同樣的效果。將寬帶均方根噪聲電平提高約1 LSB以上會成比例地降低ADC SNR,且性能不會有進一步的提高。

　　還有其它一些方案，都使用更大數(shù)量的擾動噪聲，使ADC的傳遞函數(shù)隨機化。圖5B還顯示了一個由驅(qū)動DAC的偽隨機數(shù)發(fā)生器組成的擾動噪聲源，此信號從ADC輸入信號中減去后，以數(shù)字方式增加到ADC輸出中，從而不會導致SNR性能顯著下降。這種技術(shù)本身有一個缺點，即隨著擾動信號的幅度增大，允許的輸入信號擺幅會減小。之所以需要減小信號幅度，是為了防止過驅(qū)ADC.應(yīng)當注意，這種方案不能顯著改善ADC前端產(chǎn)生的失真，只能改善ADC編碼器傳遞函數(shù)的非線性所引起的失真。

　　圖5:利用擾動使ADC傳遞函數(shù)隨機化

　　還有一種方法更容易實現(xiàn)，尤其是在寬帶接收機中，即注入信號目標頻帶以外的一個窄帶擾動信號，如圖6所示。一般來說，信號成分不會位于接近DC的頻率范圍，因此該低頻區(qū)常用于這種擾動信號。擾動信號可能還位于略低于fs/2的地方。相對于信號帶寬，擾動信號僅占用很小的帶寬(數(shù)百kHz帶寬通常即足夠)，因此SNR性能不會像在寬帶擾動下那樣顯著下降。

　　圖6:注入帶外擾動以改善ADC SFDR

　　分級流水線式ADC,例如圖7所示的14位105 MSPS ADC AD6645,在ADC范圍內(nèi)的特定代碼躍遷點有非常小的差分非線性誤差。AD6645由一個5位ADC1、一個5位ADC2和一個6位ADC3組成。嚴重的DNL誤差僅出現(xiàn)在ADC1躍遷點，第二級和第三級ADC的DNL誤差非常小。ADC1有25 = 32個相關(guān)的決策點，每隔68.75 mV (29 = 512 LSB)出現(xiàn)一個(2.2 V滿量程輸入范圍)。圖8以夸張形式顯示了這些非線性誤差。

　　圖7:14位105 MSPS ADC AD6645簡化框圖

　　圖8:AD6645分級點DNL誤差(夸張顯示)

對于最高約為200 MHz的模擬輸入，AD6645前端產(chǎn)生的失真成分與編碼器產(chǎn)生的失真相比可忽略不計。這就是說，AD6645傳遞函數(shù)的靜態(tài)非線性是SFDR性能的主要限制。

　　目標是選擇適當?shù)膸鈹_動量，使得這些微小DNL誤差的影響在ADC整個輸入范圍內(nèi)隨機化，從而降低平均DNL誤差。這可以通過實驗方法確定，覆蓋大約兩個ADC1躍遷區(qū)的峰峰值擾動噪聲對DNL的改善最佳。更高的噪聲量不會明顯改善DNL.兩個ADC1躍遷區(qū)覆蓋1024 LSB峰峰值，或者大約155 LSB rms(峰峰值高斯噪聲除以6.6即得到均方根值)。

　　圖9中的第一幅圖顯示一小部分輸入信號范圍內(nèi)的無擾動DNL.水平軸經(jīng)過放大，以顯示兩個相距68.75 mV (512 LSB)的分級點。第二幅圖顯示增加155 LSB rms擾動后的DNL,該擾動量相當于大約–20.6 dBm.請注意，DNL得到顯著改善。

　　圖9:無擾動和有擾動的AD6645 DNL

　　擾動噪聲可以通過多種方式產(chǎn)生?？梢允褂迷肼暥O管，但簡單地放大器寬帶雙極性運放的輸入電壓噪聲是更經(jīng)濟的解決方案，這種方法已在參考文獻3、4、5中詳細說明，在此恕不贅述。

　　利用帶外擾動獲得的SFDR大幅改善結(jié)果如圖10的深(1,048,576點)FFT所示，其中AD6645以80 MSPS的速率對一個–35 dBm、30.5 MHz信號進行采樣。請注意，無擾動時SFDR約為92 dBFS,有擾動時約為108 dBFS,提高幅度達16 dB!

　　圖10:無擾動和有擾動的AD6645 FFT圖

　　AD6645 ADC由ADI公司于2000年推出，直到最近，它仍是代表SFDR極致性能的產(chǎn)品。自從推出該器件后，工藝技術(shù)和電路設(shè)計兩方面的進步推動ADC向更高性能發(fā)展，例如AD9444(14位、80 MSPS)、AD9445(14位、105/125 MSPS)和AD9446(16位、80/100 MSPS)，這些ADC具有非常高的SFDR(對于70 MHz滿量程輸入信號，典型值大于90 dBc)和低DNL.

　　在一定的輸入信號條件下，增加適當?shù)膸鈹_動信號同樣可以改善SFDR性能。

　　圖11顯示了有擾動和無擾動下的AD9444(14位、80MSPS)FFT.在這些輸入條件下，添加擾動使SFDR提高25 dB.所示數(shù)據(jù)是利用ADIsimADC程序和AD9444模型獲得。

　　圖11:14位、80MSPS ADC AD9444,fs = 80MSPS,fin = 30.5MHz,信號幅度 = –40dBFS

　　雖然圖10和圖11所示的結(jié)果相當驚人，但不應(yīng)認為，增加帶外噪聲擾動一定就會改善ADC的SFDR,或者在所有條件下都適用。正如之前提到的，擾動無法改善ADC前端電路的線性度。即使是近乎理想的前端，擾動的效果也將高度依賴于輸入信號的幅度和擾動信號本身的幅度。例如，當信號接近ADC的滿量程輸入范圍時，傳遞函數(shù)的積分非線性可能會成為確定SFDR的限制因素，擾動將沒有助益。務(wù)必認真研究數(shù)據(jù)手冊，某些情況下，其中可能給出了有擾動和無擾動的數(shù)據(jù)以及幅度和帶寬建議。擾動可能是更新一代中頻采樣ADC的內(nèi)置特性。

　　結(jié)束語

　　在本文中，我們說明了所有ADC都有一定量的折合到輸入端噪聲。在精密、低頻測量應(yīng)用中，以數(shù)字方式對ADC輸出數(shù)據(jù)求平均值可以降低該噪聲，代價是采樣速率會降低并且需要額外的硬件。該均值方法實際上可以提高ADC的分辨率，但無法降低積分非線性誤差。