增強ADC性能的頻率抖動法

      自從 70 年代末以來，設計師成功地提高了 A/D 轉換器的有效分辨力和寄生性能，方法是在變換器的輸入端加入抖動（非相關噪聲），然后用 DSP 技術將噪聲從變換后的數(shù)據(jù)中中和。最常見的抖動方法是在 A/D 變換器輸入信號上增加隨機振幅噪聲。盡管這種方法具有實用性，但增加的噪聲中包含有大的隨機峰值信號。為使 A/D 變換器輸入端口不致進入飽和，設計師必須知道峰值信號以及峰值抖動電平。即使短時間的飽和也會使 A/D 變換器增加更多非線性成分，從而超過抖動可以消除的范圍。
　　另一種方法是增加一個頻率抖動而振幅恒定的信號。圖1顯示一種可能的實現(xiàn)方案，它采用一只Linear公司LTC1799可編程振蕩器IC2，工作在VCO（壓控振蕩器）模式，此時用施加電壓調(diào)制中心頻率。LTC1799的中心頻率可以設為1 kHz至33 MHz，使之適合作為現(xiàn)有大部分A/D變換器的抖動發(fā)生器。由于LTC1799的輸出中包含有一個方波，因此其峰值輸出振幅是確定的。
　　可以將隨機抖動的中心頻率設為低于或高于所關注的信號頻率。對于窄帶中頻的變換，高于或低于信號頻率的中心頻率都可以工作得很好。對于必須工作在直流狀態(tài)下的A/D變換器，唯一可用的位置是高于所關注的信號頻率。有一種方法是將抖動頻率置于采樣頻率或 Nyquist 頻率一半的地方。此時，隨機噪聲一般不會干擾所需信號，產(chǎn)生的任何假頻都只會涉及自己周圍的隨機頻率噪聲，而不會進入所需的信號頻帶。
　　圖1中的電路采用了一個20 MHz采樣的A/D變換器，在大約10 MHz中心頻率的周圍產(chǎn)生隨機噪聲。隨機噪聲的生成可以采用任何技術，包括數(shù)字移位寄存器和偏置在擊穿區(qū)的半導體結。在本例中，用一支12V的齊納二極管D1來產(chǎn)生噪聲，一個二級放大器完成放大及頻率成形。必要時，可以用更復雜的有源濾波電路（IC_1A和IC_1B）來進一步修整噪聲分布形態(tài)。經(jīng)過濾波后，噪聲對LTC1799進行調(diào)制。要保證LTC1799的電源電壓是純直流，沒有紋波，因為電源噪聲會產(chǎn)生非隨機的AM邊帶。

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       圖 1， 一支齊納二極管、二級放大和一個 FM 壓控振蕩器構成了一個振幅恒定的抖動發(fā)生器。
　　圖2顯示了圖1設計中有限頻譜的振幅-頻率曲線。根據(jù)電路的配置，可以用一個小耦合電容或更復雜的有源求和電路將抖動加到 A/D 變換器上。雖然齊納二極管噪聲發(fā)生器理論上是簡單的，但它們在生產(chǎn)環(huán)境下性能不佳，因為其噪聲輸出變化很大。即使是同一生產(chǎn)批次的二極管，也可以觀察到所謂爆米花噪聲、不規(guī)則分布的噪聲柱形圖、振幅漂移以及頻率加權噪聲。在大批量應用中，規(guī)格齊整的噪聲二極管，例如來自 Micronetics公司的產(chǎn)品可能比齊納二極管更有性價比。一旦選定了噪聲二極管，就可以選擇放大級的增益，使電路輸出端不會出現(xiàn)明顯的箝位噪聲峰值。如果應用需要，還可以改變放大器的頻率響應，以改變噪聲頻譜。最后，調(diào)整LTC1799 的頻率設定電阻 R6和R7，可使噪聲頻譜與圖2所示類似。沿放大器通道的任何箝位都會在頻譜的邊沿增加波峰，這表明有振幅的箝位以及噪聲隨機特性的降低。

  圖 2 ，寬闊的鐘形曲線顯示出一個隨機頻率抖動頻譜，它疊加在 LTC1799 的 10 MHz 未調(diào)制輸出上。
　　在噪聲輸出與A/D變換器求和輸入端之間可以增加一個濾波器，以限制帶內(nèi)噪聲，或去除電源紋波造成的任何周期性調(diào)制。在現(xiàn)代高性能 A/D 變換器中，即使少量的周期性噪聲也會表現(xiàn)為一個 -80 dBc（載波下分貝數(shù)）的寄生響應。