采样坚持(THA)输出噪声的两个要害噪声重量

　　采样噪声重量

　　噪声的榜首个重量是采样过程中发生的采样噪声，它用外差法将THA的前端噪声转化到频域的每个奈奎斯特区间中。整个前端带宽发生的噪声是在每个时域样本中捕获，然后将该噪声大致均匀地散布在每个奈奎斯特区间上。此噪声由前端热噪声和采样颤动噪声组成，无法被滤除，除非在输出端运用低通滤波器转机频率来明显下降奈奎斯特带宽。一般不运用这种滤波，由于它会损坏时钟速率所供给的可用带宽，并导致输出波形的树立时刻功能下降。

　　输出缓冲放大器噪声重量

　　噪声的第二个重量是THA输出缓冲放大器噪声奉献。THA不会对此噪声采样，但滤波能够下降此噪声。能够接受的输出滤波量取决于所用特定时钟频率的树立时刻要求。关于容差约束的大致原则是输出途径的带宽(包含模数转化器(ADC)输入带宽)至少为时钟速率的2倍，以支撑下流ADC所采样的THA波形的准确(例如线性)树立。高速ADC的输入带宽一般在2倍时钟速率目标邻近;因而，运用高速ADC时一般不需要额定的滤波。

　　采样放大器的噪声密度

　　与惯例非采样放大器不同，THA频域中的有用等效输入噪声谱密度取决于模数转化之前的输出滤波带宽。出于这个原因，采样器材一般不会用这些项来指定噪声，由于实践输出噪声是采样输入缓冲器噪声的杂乱函数，其将整个输入带宽中的噪声混叠到榜首奈奎斯特区间，输出缓冲放大器噪声呼应输出限带的方法与惯例放大器类似。采样系统的重要目标量是所坚持输出样本中的时域输出噪声(拜见HMC661LC4B数据手册)，由于ADC会转化此输出噪声。

　　折合到输入端的频域噪声密度最好经过下式确认：输出时域采样噪声除以输入采样带宽与π/2的乘积的平方根。

　　单极点带宽和输出时域噪声相一起，该界说给出的折合到输入端噪声密度与单位增益接连波(CW)放大器(未采样)相同。之所以有π/2，是由于单极点低通传递函数的有用噪声带宽为BW3dB×π/2。关于没有输出限带的HMC661LC4B(例如输出缓冲放大器的悉数7 GHz带宽)，当运用1.05 mV rms时域采样噪声和18 GHz 3 dB输入带宽时，此噪声带宽对应于约6.2 nV/(√Hz)的等效输入噪声密度。由于热本底噪声为0.64 nV/(√Hz)，所以有用噪声指数约为19.7 dB。此噪声指数很高，这是由于THA中有好几级，一切级均以单位增益作业，故每级都会添加噪声。

　　非采样放大器的噪声密度

　　就等效输入噪声功能而言，有用采样噪声指数的这种界说对一般非采样放大器是一个合理的比较。这并未考虑采样引起的噪声折叠，而典型混频器噪声指数界说或许会运用噪声折叠。要取得混频器噪声指数界说，须添加一个噪声折叠批改系数，它由输入采样噪声带宽与奈奎斯特带宽的比值给出，如下式所示：

　　NFCORRECTION = 噪声指数采样折叠校对 = 10log(BW N_INPUT /( fCLK _TH /2))

　　其间，BWN_INPUT标明输入采样带宽的有用噪声带宽。

　　例如，当HMC661LC4B以4 GHz时钟速率作业时，噪声折叠(18 GHz×π/2)至2 GHz的奈奎斯特区间所导致的额定降级是由混频器界说的，噪声指数额定下降约11.5 dB ，发生19.7dB + 11.5dB = 31.2dB的混频器界说总噪声指数。

　　预算输出噪声频谱

　　为了预算输出噪声频谱，应运用如下现实：一切前端噪声都被外差或折叠到一个奈奎斯特区间中，而输出缓冲器噪声散布在输出缓冲器噪声带宽的大约7×π/2 GHz上。仿真标明，虽然小信号输出缓冲器带宽为7 GHz，HMC661LC4B和HMC760LC4B中的组合输出缓冲放大器级的有用噪声带宽约为12.6 GHz，对应于8 GHz的有用-3 dB噪声密度带宽。这种细小差异似乎是由噪声在信号链中不同带宽点的散布式奉献形成的。表1和表2显现了不同输出噪声带宽滤波状况下HMC661LC4B和HMC760LC4B的输出时域和频域噪声重量的明细，作业时钟速率为1 GHz。

　　取得完好输出带宽

　　完好输出带宽数据来自全布线寄生效应下的具体芯片仿真，但成果与实验室数据适当符合(关于HMC661LC4B，测得的集成噪声电压VNT = 1.05 mV rms)。假定输出缓冲器噪声谱密度不变(由于滤波一般在外部进行)，核算输出带宽减小的状况。表1和表2模拟了完好输出带宽状况下的V_{NT_SAMPLE}、V_{NT_OUT}和V_{NF_OUT}。依据这些根本参数可直接导出一切其他量。

　　在采样过程中，下流ADC将输入带宽(表1和表2中所示的滤波和ADC输入带宽的组合)上的一切THA噪声外差到一个ADC奈奎斯特区间。因而，总折叠噪声是ADC噪声带宽上的总THA输出放大器时域噪声的一部分。

　　作为参阅，运用HMC661LC4B驱动National Semiconductor ADC12D1600 ADC的数据与表1和表2中的仿真值具有很好的共同性。特别是，针对ADC快速傅立叶改换(FFT)中的谱密度，测得THA噪声重量约为37 nV/(√Hz)。National Semiconductor转化器的输入噪声带宽估量约为2.8(π/2) = 4.4 GHz。关于这种状况，总THA输出时域噪声约为0.98 mV rms，对应于43.9 nV/√Hz的噪声谱密度(经ADC采样后)。此值在ADC数字化噪声频谱中的实测THA重量的1.5 dB以内。

　　表1.HMC661LC4B 18 GHz带宽THA仿真和核算得到的噪声重量汇总，时钟频率为1 GHz

　　1 针对任何滤波和ADC带宽。

　　2 仿真值，一切其他值均由仿真值核算。

　　表2.HMC760LC4B 5.5 GHz带宽THA仿真和核算得到的噪声重量汇总，时钟频率为1 GHz

　　1 针对任何滤波和ADC带宽。

　　2 仿真值，一切其他值均由仿真值核算。

　　结语

　　为了预算THA的输出噪声谱密度，用户能够将样本时域噪声扩展到一个奈奎斯特带宽上，并在下流ADC的有用噪声检测带宽上对输出缓冲器噪声谱密度进行滤波。因而，有必要取得以下预算成果：

　　V_{NF_SAMPLE}(f) = V_{NT_SAMPLE}/(f_CLK/2)^1/2

　　V_{NF_OUTPUT}(f) = 5.46 nV/√Hz (至7 GHz带宽)

　　V_NF = [(V_{NF_SAMPLE})2 + (V_{NF_OUTPUT})2]^1/2

　　VNF_TH_ADC= V_NT)/(f_CLK)/2)^1/2

　　其间：

　　VNT和VNT_x是时域噪声量。

　　VNF和VNF_x是频域谱密度。

　　此核算假定仅丈量输出波形的坚持形式部分的频谱内容。假如ADC以相一起钟速率对THA波形进行采样，则在ADC输入带宽上发生的总时域噪声(包含THA输出端的任何额定输出滤波)将扩展到一个ADC奈奎斯特区间上。原则上，这些核算能够针对恣意时钟频率履行。很显然，THA采样噪声占主导地位;因而，输出滤波的影响和优点是有限的。

　　在较高信号频率下，时钟和信号的颤动会给采样噪声带来一个额定的噪声重量。在这种较高时钟频率下，颤动噪声不行疏忽，有必要包含在总噪声中。颤动噪声一般经过引证数据手册中的颤动标准进行量化，由于颤动发生的噪声很简单核算，它取决于输入频率和颤动值。一般来说，采样过程中颤动发生的噪声均方根值近似等于

　　V)NT_JITTER) ~ SR × tj

　　其间：

　　SR为采样点处的信号压摆率。

　　tj为均方根颤动。

　　关于正弦信号，压摆率(SR)峰值经过下式核算：

　　V)IN) × 2π × f)SIGNAL)

　　其间：

　　V)IN)为零到峰值信号电平。

　　f)SIGNAL)为信号频率。

　　经过核算均匀后，用于此核算的有用压摆率根据V)IN)的均方根值，有用压摆率(SR)EFFECTIVE)) = (V)IN/)21/2) × 2π × fSIGNAL。因而，总颤动噪声(在时域样本中)为

　　V_{NT_JITTER} = SR_EFFECTIVE × tj = (V_IN/2^1/2) × 2π × f_SIGNAL × tj

　　这种不行避免的噪声重量跟着频率线性添加。因而，受颤动约束的信噪比(SNR)为 SNRJITTER~ −20log[1/(2π × fSIGNAL × tj)]。

　　要核算给定频率时的总噪声，须将颤动噪声功率与热噪声功率相加。在HMC661LC4B数据手册中，HMC661LC4B THA中的颤动值< 70 fs，这是仅对THA进行专门颤动丈量得到的。在THA和ADC组合丈量中测得的典型值与THA独自丈量的成果根本共同，约为65 fs。在给定奈奎斯特采样距离中，这种噪声往往具有相对平整的频谱。要下降这种噪声电平的均值，应运用多个独立的数据记载。为了完成这种水平的子系统总颤动，有必要运用杰出的信号和时钟发生器并彼此锁相，信号和时钟发生器的输出有必要进行滤波以消除非谐波杂散信号。

　　即使最先进的低相位噪声组成信号发生器，也或许会给选用HMC661LC4B的采样系统带来明显的颤动，特别是当整合信号与时钟发生器之间的锁相颤动时。对施加于THA的发生器输出信号进行带通滤波，可调查发生器噪声引起的颤动的影响。在此状况下，在THA输出信号和任何经ADC FFT处理的输出频谱上可调查到对应于带通滤波器带宽的相位噪声边带。运用较小滤波器带宽以消除来自发生器的宽带噪声，可取得最佳功能。此外还有必要坚持合理的时钟摆率。对每个时钟差分半电路输入运用2 V/ns至4 V/ns，以完成HMC661LC4B数据手册中阐明的颤动功能。假如THA用在ADC之前，则THA决议颤动，ADC的颤动根本能够疏忽不计，由于它是对THA输出的安稳坚持波形进行采样。还能够经过屡次记载求均匀或扩频处理技能来处理颤动噪声，然后进步SNR。THA颤动噪声重量相同散布在一个奈奎斯特区间内，由于它往往是宽带噪声。因而，颤动频谱噪声密度为

　　V_{NF_JITTER} ~ V_{NT_JITTER}/(f_CLK/2)^1/2

　　这三个噪声奉献(样本热噪声、样本颤动噪声和输出缓冲器噪声)不具相关性，其功率线性相加。