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據中中和。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,使之適合作為現有大部分A/D變換器的抖動發生器。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中心頻率的周圍產生隨機噪聲。隨機噪聲的生成可以采用任何技術,包括數字移位寄存器和偏置在擊穿區的半導體結。在本例中,用一支12V的齊納二極管D1來產生噪聲,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(IC1A和IC1B)來進一步修整噪聲分布形態。經過濾波后,噪聲對LTC1799進行調制。要保證LTC1799的電源電壓是純直流,沒有紋波,因為電源噪聲會產生非隨機的AM邊帶。
圖2顯示了圖1設計中有限頻譜的振幅-頻率曲線。根據電路的配置,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生器理論上是簡單的,但它們在生產環境下性能不佳,因為其噪聲輸出變化很大。即使是同一生產批次的二極管,也可以觀察到所謂爆米花噪聲、不規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,規格齊整的噪聲二極管,例如來自 Micronetics公司的產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。
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,以限制帶內噪聲,或去除電源紋波造成的任何周期性調制。在現代高性能 A/D 變換器中,即使少量的周期性噪聲也會表現為一個 -80 dBc(載波下分貝數)的寄生響應。
(審核編輯: 智匯胡妮)
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