直流偏移校正功能與ADS58H40 PCB布局優化

摘要

本文分析了高速 ADC 直流偏移校正功能的作用與影響，并針對此以 ADS58H40 為例，優化了其PCB 布局。

Key words: DC offset correction (直流偏移校正)，ADC (模數轉換器)，Code toggle(碼域翻轉)，Ripple noise floor (紋波底噪)

1、引言

ADS58H40 是一款由德州儀器(TI)推出的四通道、11/14 比特、采樣 250MSPS、接收 90MHz帶寬的高性能高速模數轉換器。它同時具有用于反饋的 125MHz 帶寬的 Burst Mode 與用于接收的 90MHz 帶寬的 SNRBoost Mode，適用于基站收發信機的反饋與接收通道。

目前用于基站收發信機的高速模數轉換器(ADC)大多都具有直流偏移校正功能(DC offset correction function)。它用于校正 ADC 接收到的直流，以免其降低接收機的性能。但是此功能同時也會引起 ADC 的碼域翻轉(code toggle)，如果 PCB 布局不當，會造成 ADC 采集小信號功率不準確。本文以 ADS58H40 為例，分析了碼域翻轉干擾所帶來的問題，并提供了PCB 優化解決方案。

2、高速 ADC 直流偏移校正功能的作用與影響

直流偏移(DC offset)是由外界的直流信號分量與原信號的直流疊加形成。在基站收發信機中，它主要是由本振泄露與混頻器或 IQ 解調器的非線性產生。直流偏移會對有用信號形成干擾，通常需要使用 ADC 的直流偏移校正功能來抑制它。

從碼域上來看對于一個理想的 11 bit ADC，其中間碼應該是 2^(11-1)=1024。用二進制補碼來表示就是 0x000。由于二進制補碼的最高位表示符號位，所以對應的 11 bit 數據范圍是從0x000 到 0x7FF。0x7FF 表示-1，對應為 1023。在無有用信號輸入時，理想狀態下，11 bit ADC采集出來的信號在碼域就應該為 0x000。但是事實上外界還有熱噪聲(thermal noise)與直流偏移會被 ADC 采集到。直流偏移在碼域上會使 ADC 空采所獲得的碼相對 0x000 向上偏移一些，而熱噪聲信號的自然波動也會疊加到直流偏移所表示的碼上面。ADC 的 DC offset correction function 會修正直流偏移引起的碼域誤差，將其重新校正到 0x000。

ADC 的 DC offset correction function 的工作流程如下：

下面用兩張圖示來對比說明 ADC 未使能與使能 DC offset correction function 在碼域上的區別。

在未使用 ADC 的 DC offset correction function 時，11 bit ADC 空采所得到的熱噪聲與直流偏移在碼域圖示如下:

在使用 ADC 的 DC offset correction function 時，11 bit ADC 空采所得到的熱噪聲與直流偏移在碼域圖示如下：

通過對比發現使能 ADC 的 DC offset correction function 后，直流偏移引起的碼域誤差被修正，熱噪聲在碼域上也從基本在 0x000 碼以上圍繞著直流偏移波動，變成了圍繞著 0x000碼波動。因此在使能 DC offset correction function 時，熱噪聲的自然波動會引起碼域從0x000 到 0x7FF 的隨機翻轉。體現在 ADC 的 11 bit 數據線上就是 ADC 空采時，所有數據線的電平都同時在邏輯 0 與邏輯 1 之間切換。此時數據線對外的干擾是最大的。如果在 PCB 布局上不夠謹慎，就會使這個干擾信號耦合到 ADC 的模擬輸入端。雖然這個耦合的干擾信號幅度并不大，但是它對 ADC 的輸入信號，尤其是輸入的小信號在頻域上會形成波浪型干擾，在 ADC 空采時，則體現為紋波底噪(ripple noise floor)。

3、碼域翻轉干擾所帶來的問題

以 ADS58H40 為例，圖示說明碼域翻轉干擾信號耦合到 ADC 模擬輸入端的后果。

在 PCB 布局不理想時，如上圖所示輸出數據端直接或間接的通過時鐘或 ADC 的 VCM 耦合到了 ADC 的模擬輸入端。

受此干擾信號影響，將 ADS58H40 通道空采得到的數據做 FFT 變換得到的頻域圖如下：

從圖中可以清晰的看到 ADC 采集到的是波浪型底噪，它略微的惡化了 ADC 的信噪比(SNR)，并且會導致小信號的幅度測量不準確，影響接收機靈敏度的測試。