高速 ADC THS1041 的钳位功能

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引言 TI 推出的 THS1041 是一款 10 位、40-MSPS、CMOS 高速模数转换器 (ADC)。该转换器具有诸多优异的特性，其中包括：单节 3-V 电源、低功耗、灵活的输入结构、内置可编程增益放大器 (PGA) 以及内置钳位功能。由于上述这些特性（特别是内置的钳位功能），多年来 THS1041 已在各种应用中得到广泛使用。钳位功能可以使该器件能够生成并输出一个针对灵活 ADC 应用的缓冲 DC 电压，例如，为 ADC 提供一个共模电压或允许 ADC 模拟输入端 AC 耦合视频信号上的 DC 恢复，这一功能可被启用或禁用。如图 1 所示，THS1041 的钳位功能由一个片上数模转换器 (DAC)、逻辑控制、一个钳位输入端、一个缓冲器以及一个钳位输出端组成。根据其 Clamp 引脚是否从外部源接收到了一个 DC 或脉冲信号，该钳位输出可以是一个连续的或非连续的 DC 信号。当该非连续的 DC 信号被施加到ADC 单端 (SE) 输入电路以提供共模电压时，ADC 模拟输入端的 DC 稳定性就成为我们所担心的问题了。当钳位功能和 SE 输入结构被同时使用时，有些用户就开始怀疑 DC 稳定性问题了。本文展示了一些测试数据，这些数据解释说明了在这种应用条件下 DC 电压如何运转以及当钳位功能开启时如何获得高佳的 ADC 性能。   钳位功能 如图 1 所示，THS1041 的钳位功能是通过设置 4 个引脚（Clampin 引脚、Clampout 引脚、Clamp 引脚和 Mode 引脚）以及该器件的内部寄存器实施的。凭借片上 DAC，就可以将来自 THS1041 内部寄存器的由数据总线 b0～b9 书写的数字数据转换成一个模拟 DC 电压，然后该电压将被缓冲并通过内部开关输出到 Clampout 引脚。缓冲器和 DAC 之间的内部开关可以根据寄存器的设置方式进行开启或关闭。该 DAC 可提供电压范围介于参考电压 REFT 和 REFb 之间的不同的 DC 电压，以满足不同的应用要求。设置 Mode 引脚不同的电压电平将允许内部缓冲器输入端与一个内部固定的 DC 电压相连，或与 一个外部 DC 电压输入端的 Clampin 引脚相连。Clampout 引脚通过控制 Clamp 引脚上的 DC 信号或脉冲信号可以和钳位功能的缓冲器输出端连接或断开。通过一个 ADC 差动输入或 SE 输入结构，THS1041 的钳位功能可以被开启。其来自 Clampout 引脚的输出可以被连接至两个模拟输入端 AIN+ 和 AIN– 以提供共模电压或仅连接至其他应用其中的一个输入端。   

图 1 THS1041 钳位功能结构图   图 2 显示了 SE 输入端具有钳位功能的 THS1041 的基本结构。将 Mode 引脚设置为 AVDD/2 可使该器件进入一个内部参考模式；且 Clampout 引脚的 DC 电压来自 Clampin 引脚，而不是来自内部 DAC。钳位功能的输出端 Clampout 被连接至 AIN+，此外该输出端还通过钳位脉冲控制应用的一个小电阻器 R 被连接至电容器 C2。电容器 C2 不但用于当 Clampout 在钳位脉冲间隔期间被内部断开时保持 DC 电压，而且还用于耦合从源到 AIN+ 的AC 信号。另一个 ADC 模拟输入端 AIN- 被连接到一个外部 DC 源，而且对于正常运行而言应具有和 AIN+ 相同的 DC 电压。Clamp 引脚将控制 Clampout 和缓冲器输出端之间的内部开关。当 Clamp 为高电平逻辑时，Clampout 就被内部连接至缓冲器输出端；当 Clamp 为低电平逻辑时，Clampout 就和缓冲器输出端断开。   

图 2 THS1041 的钳位模式结构   利用钳位 DC 控制功能测试 DC 行为   钳位 DC 控制就是在 Clamp 引脚施加一个 DC 信号以控制 Clampout 引脚的内部缓冲器接入。为了了解当钳位功能开启时 AIN+ 和 AIN- 端的 DC 行为，我们将两个不同的 DC 电压施加到 AIN+ 和 AIN-，并且对 Clamp 端的逻辑电平进行手动控制。根据图 2 中的结构，Clampin 端的 V2 被设置为 1.5V，AIN- 端的 V1 被设置为 1V，C2 为 0.6μF 且 R 为 10Ω。在这种情况下，我们没有将 AC 信号施加到模拟输入端 AIN+。ADC 时钟将以 40MHz 运行。当 Clamp 被手动设置为高逻辑电平 (3VDC) 时，AIN+ 将稳定在 1.5V；当 Clamp 被手动设置为低逻辑电平 (0VDC) 时，AIN+ 将稳定在 1V。换句话就是说，当 Clamp 引脚为高逻辑电平时，AIN+ 端的电压将由内部缓冲器驱动；当 Clamp 引脚为低逻辑电平时，AIN+ 将与缓冲器断开，且其电压将向 AIN- 端的电压漂移。另外，如果 AIN- 正在浮动，那么 AIN- 端的电压将追随 AIN+ 端的电压。在 AIN+ 和 AIN- 端的电压源被断开以后，他们二者的 DC 电压将向着对方彼此相互漂移，这是因为在多个时钟周期以后的保持阶段在 ADC 采样与保持电路的采样电容之间发生了显著的内部充电或放电。测试数据如表 1 和表 2 所示。 表 1 当时钟处于激活状态且 AIN- 被连接至 DC 电源时的模拟输入 DC 电压钳位逻辑Clampin（连接至 DC 电源时）(V)AIN-（连接至 DC 电源时）(V)AIN+（根据 Clamp 逻辑充电或放电后）(V)低1.511高1.511.5低1.511 表 2 当时钟处于激活状态且 AIN- 正在浮动时的模拟输入 DC 电压钳位逻辑Clampin（连接至 DC 电源时）(V)AIN-（充电或放电后）(V)AIN+（根据 Clamp 逻辑充电或放电后）(V)低1.500高1.51.51.5低1.500 表 1 和表 2 中的测试数据（该数据是在 ADC 时钟被激活的情况下测量得出的）显示将模拟输入引脚与源断开会使其 DC 电压相互影响；当 ADC 时钟处于非激活状态时，AIN+ 和 AIN- 端的 DC 电压不会相互影响（请参见表 3 和表 4）。此外，虽然使用 C2 与否都不会影响 DC 电压测试结果，但是确实会影响 AIN+ 端电压变化的转换时间。 表 3 当时钟处于非激活状态时的模拟输入 DC 电压钳位逻辑Clampin（连接至 DC 电源时）(V)AIN-（连接至 DC 电源时）(V)AIN+（根据 Clamp 逻辑充电或放电后）(V)低1.510高1.511.5低1.510**慢慢放电 表 4当时钟处于非激活状态且 AIN- 正在浮动时的模拟输入 DC 电压钳位逻辑Clampin（连接至 DC 电源时）(V)AIN-（充电或放电后）(V)AIN+（充电或放电后）(V)低1.500高1.501.5低1.500**慢慢放电 利用钳位脉冲控制功能测试 DC 行为 钳位脉冲控制就是在 Clamp 引脚处施加一个脉冲信号以控制 Clampout 引脚的内部缓冲器接入。为了观察 THS1041 模拟输入端的 DC 行为，我们将一个脉冲信号而非一个 DC 信号施加到具有 16kHz 和 6% 占空比的 Clamp 引脚（请参见图 2）。与之前的测试相类似，将去耦电源的 1V 固定 DC 电压施加到 Clampin，并将一个可变 DC 电压施加到 AIN-。在这种情况下，在脉冲钳位期间，AIN+ 被内部缓冲器驱动至 1V，并且当 AIN- 为 1V 时，在钳位脉冲间隔期间，电容器 C2 很好地保持了该电平。电容 C2 必须要足够大且钳位脉冲间隔要足够小以使 AIN+ 端的 DC 电压与 Clampin端的 DC 电压保持一致。但是，如果 AIN- 端的 DC 偏移与 AIN+ 端的 DC 偏移设置的不一样，那么 DC 信号就出现失真。如前所述，当一个引脚或另一个引脚正在浮动时，模拟输入引脚处的 DC 电压就会发生漂移。利用钳位脉冲控制进行的测试进一步证明了这一表述。在将一个脉冲施加到 Clamp 引脚时，DC 漂移表现为一个电压峰值，这一现象是通过图 3 所示的示波器观察到的。

图 3 峰值可出现在 AIN+ 端（AIN– 端上具有 DC 电压）   该峰值周期性地出现在钳位脉冲频率时的 AIN+ 端，且其幅度会随着模拟输入引脚间 DC 压差的增加而增加。测试数据显示，当 Clampin 被连接到一个 1V 电源且 AIN- 被连接到一个 0.5V 电源时，在钳位脉冲逻辑高电平和逻辑低电平期间 AIN+ 端的 DC 测量值为 1V。AIN+ 端的 AC 测量值为大约 20 mV 的正峰值，并且会在钳位脉冲从低到高的转换时出现。当 AIN- 被连接到一个 1.5V 电源且 Clampin 仍然被连接到一个 1V 电源时，AIN+ 端的 DC 测量值为 1V。AIN+ 端的 DC 测量值是一个大约为 30mV 的负峰值，并且会在钳位脉冲从低到高的转换时出现。当 AIN– 被连接到一个 1V 电源（与 AIN+ 端的 DC 电压相等）时，就会出现该峰值且 AIN+ 端的 1V DC 电压平滑稳定。   更多的测试显示，当钳位脉冲的占空比变高时，峰值就会变小。在 Clampout 引脚处添加一个电容器 C3 将会大大限制该峰值。   钳位脉冲控制条件下的 THS1041 AC 性能 模拟输入端 AIN+ 处的峰值会降低 THS1041 的 AC 性能（请参见图 4 和图5）。图 4 和图 5 均为在钳位脉冲控制和模拟输入引脚上不同 DC 电压条件时 THS1041 的 FFT 图。该 FFT 图是由 Labview FFT 程序根据 HP1600 逻辑分析器从 THS1041 EVM 采集的数据生成的。EVM 模拟输入端的测试信号为一个 2.2-MHz 的正弦波，振幅为 –20 dbFS（即低于 ADC 满量程 20 db）。该测试信号由一个 HP8644 正弦波生成器生成，并通过一个板上变压器由 THS1041 SE 输入端完成接收（本测试 EVM 板详尽的设置工作将在本文的后面讨论）。由 HP8644 触发的脉冲生成器将以 40 MHz 运行 THS1041 输入时钟。钳位脉冲由具有 15.6 kHz 频率和 50% 占空比的脉冲生成器生成。   

图 4 钳位模式下 THS1041 的 FFT，模拟输入引脚之间的 DC 压差为 0.5V   

图 5 钳位模式下 THS1041 的 FFT，模拟输入引脚之间的 DC 压差为 0V   在时域中，峰值周期性地出现在图 3 所示的钳位脉冲频率上。在频率域中，峰值出现在 FFT 上的 15.6 kHz 频率处（频率轴的低端）。当模拟输入引脚上的 DC 压差为 0.5V（AIN+ 为 1 V，而 AIN– 为 0.5 V）时，15.6 kHz 频率时的峰值为 –67 dbFS，这是 FFT 中最大的峰值（请参见图 4）。该峰值要比 FFT 上的任何谐波都要高许多，并且有利于实现较低值的无杂散动态范围 (SFDR)。 当压差为 0V（AIN+ 和 AIN– 均为 1 V）时，相同频率时的峰值为 –82 dbFS， 提高了 15-db（请参见图 5）。该峰值不但低于二阶和三阶谐波，而且还低于总谐波失真 (THD)。   图 4 和图 5 显示：随着 AIN+ 和 AIN– 之间的 DC 压差增加到一定的水平， 如果输入模拟信号小，SFDR 则会下降并且会变得比 THD 更为糟糕。如果 Clampout 处的去耦电容 C3（请参见图 2）不够大的话，尤为如此。在这些测试结果的基础上，我们利用 Clampout 处不同的去耦电容进行了进一步的测试。 由于一个 –21dbFS（低于 THS1041 2V 满量程输入 21 db）模拟输入振幅、一个 0.4 μF 的 C3 值以及 AIN+ 和 AIN– 之间一个 0.5 V 的 DC 压差， SFDR 比 THD 要低大约 16 db。在相同 C3 值的情况下，当 AIN+ 和 AIN– 之间的 DC 压差降至 0V 时 SFDR 要比 THD 低 3 db。 如果 C3 被增加至 1.4 μF，那么包括 SFDR、THD 以及信噪比 (SNR) 在内的整体 AC 性能就会大大提高。因此，当 AIN+ 和 AIN– 之间的 DC 压差为 0V 时 SFDR 要比 THD 高大约 5 db，且当 AIN+ 和 AIN– 之间的 DC 压差为 0.5V 时 SFDR 要比 THD 低大约 6 db。该测试数据如表 5 所示。 表 5 不同 C3 值以及 AIN- 处不同 DC 电压时（钳位脉冲处于开启状态且模拟输入为 -21dbFS）的 THS1041 AC 性能AIN+ (V)AIN- (V)相对于 THD 的 SFDb (C3=0.4μF)(db)相对于 THD 的 SFDb (C3=1.4μF)(db)10.5-16-611-3511.5-17-5 该测试数据显示：AIN+ 和 AIN– 之间的 DC 压差不仅可导致模拟输入端的一个峰值，而且还会导致过早的输出饱和，从而降低最大的模拟输入振幅。例如， 当 AIN+ 和 AIN– 之间的 DC 压差为 0.5V 时（AIN+ 为 1 V），最大模拟输入振幅就必须要低于满量程 20 db 以避免输出饱和。当 AIN+ 和 AIN– 之间的 DC 压差为 0.3V 时（AIN+ 为 1 V），最大模拟输入振幅就要低于满量程 3.5 db。因此 AIN+ 端和 AIN– 端的 DC 电压应相同以保持最佳的 AC 性能和规定的最大输入振幅。 该测试数据还显示：随着最大模拟输入振幅的降低，THS1041 似乎可以容许在 AIN+ 和 AIN– 之间有一个小的 DC 压差以保持规定的 AC 性能（请参见表 6）。 在此测试中，模拟输入正弦波为 2.2 MHz（1.4 V 峰至峰），低于 THS1041 满量程 3.5 db。采样速率为 40 MHz，钳位脉冲为 16 kHz（6% 占空比），模拟输入端的 DC 压差为 0.3 V（AIN+ 为 1 V，AIN– 为 0.7 V)。因此，AC 性能仍符合规范的要求——SNR 为 59 dbFS，SFDR 为 70 dbc 以及 THD 为 64 dbc。 表 6 SE 输入、钳位脉冲控制以及模拟输入端 0.3V DC 压差时的 THS1041 AC 性能AIN+ DC 电压(V)AIN- DC 电压 (V)SNR(dbFS)SFDR(dbc)THD(dbc)输入振幅 (dbFS)10.7597064-3.5 测试设置条件该 AC 性能测试是基于 THS1041 EVM 板得出的，EVM 原理图请参见参考书目 2。EVM 的基本 SE 结构与图 2 中的基本 SE 结构相类似——C2 为 0.6 μF，C3 为 1.4 μF，AIN– 端的 DC 源与一个 3.3-V 电源断开。在 EVM 板上，对于 SE 输入端而言，T1（变压器）的引脚 1 是开放的，且 J2 为模拟输入。引脚 1～2 的跳线在 W1 和 W2 处为开启状态，引脚 1～2 的跳线在 SJP6 处为关闭状态，且引脚 1～2 的跳线在 SJP2 和 SJP1 处为开启状态。
结论为了保持 THS1041 最大的输入范围和最佳的 AC 性能，施加到模拟输入端 AIN+ 和 AIN- 的共模电压应满足产品说明书中的要求，且施加到 AIN- 的 DC 电压应与具有一个 SE 输入结构的 AIN+ 的 DC 电压相等。当钳位功能处于开启状态且有一个脉冲信号被施加到 Clamp 时，在 AIN+ 和 AIN– 端施加不同的 DC 电压会导致在模拟输入端出现一个峰值。模拟输入端 AIN+ 和 AIN- 之间的 DC 压差越大，峰值就越大。如果钳位脉冲的占空比下降，峰值也会变得更大。这是因为 AIN+ 和 AIN– 的外部电压源被断开时，二者的 DC 电压均向着对方彼此相互漂移。因此，ADC 采样与保持电路的采样电容之间就会在保持阶段发生内部充电或放电。AIN+ 和 AIN– 之间的 DC 电压差还会引起过早的输出饱和并降低最大模拟输出振幅，因此该压差必须要有一个极限。增加 Clampout 处的去耦电容将最小化峰值，提高模拟输入端的 DC 压差容限并提高 THS1041 的整体 AC 性能。这一结论是基于 THS1041 基准测试得出的。对其他高速 ADC 而言，本文中的观察与测试方法也是非常有用的。