采樣保持(THA)輸出噪聲有兩個關鍵噪聲分量：采樣噪聲和輸出緩衝放大器噪聲。本文將重點探討這兩個分量。

 

噪聲的第一個分量是采樣過程中產生的采樣噪聲，它用外差法將THA的(de)前(qian)端(duan)噪(zao)聲(sheng)轉(zhuan)化(hua)到(dao)頻(pin)域(yu)的(de)每(mei)個(ge)奈(nai)奎(kui)斯(si)特(te)區(qu)間(jian)中(zhong)。整(zheng)個(ge)前(qian)端(duan)帶(dai)寬(kuan)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)是(shi)在(zai)每(mei)個(ge)時(shi)域(yu)樣(yang)本(ben)中(zhong)捕(bu)獲(huo)，然(ran)後(hou)將(jiang)該(gai)噪(zao)聲(sheng)大(da)致(zhi)均(jun)勻(yun)地(di)分(fen)布(bu)在(zai)每(mei)個(ge)奈(nai)奎(kui)斯(si)特(te)區(qu)間(jian)上(shang)。此(ci)噪(zao)聲(sheng)由(you)前(qian)端(duan)熱(re)噪(zao)聲(sheng)和(he)采(cai)樣(yang)抖(dou)動(dong)噪(zao)聲(sheng)組(zu)成(cheng)，無(wu)法(fa)被(bei)濾(lv)除(chu)，除(chu)非(fei)在(zai)輸(shu)出(chu)端(duan)使(shi)用(yong)低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)器(qi)轉(zhuan)折(zhe)頻(pin)率(lv)來(lai)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)奈(nai)奎(kui)斯(si)特(te)帶(dai)寬(kuan)。通(tong)常(chang)不(bu)使(shi)用(yong)這(zhe)種(zhong)濾(lv)波(bo)，因(yin)為(wei)它(ta)會(hui)損(sun)壞(huai)時(shi)鍾(zhong)速(su)率(lv)所(suo)提(ti)供(gong)的(de)可(ke)用(yong)帶(dai)寬(kuan)
，並(bing)導(dao)致(zhi)輸(shu)出(chu)波(bo)形(xing)的(de)建(jian)立(li)時(shi)間(jian)性(xing)能(neng)降(jiang)低(di)。

 

噪聲的第二個分量是THA輸出緩衝放大器噪聲貢獻。THA不bu會hui對dui此ci噪zao聲sheng采cai樣yang，但dan濾lv波bo可ke以yi降jiang低di此ci噪zao聲sheng。可ke以yi承cheng受shou的de輸shu出chu濾lv波bo量liang取qu決jue於yu所suo用yong特te定ding時shi鍾zhong頻pin率lv的de建jian立li時shi間jian要yao求qiu。關guan於yu容rong差cha限xian製zhi的de大da致zhi原yuan則ze是shi輸shu出chu路lu徑jing的de帶dai寬kuan（包括模數轉換器(ADC)輸入帶寬）至少為時鍾速率的2倍，以支持下遊ADC所采樣的THA波形的精確（例如線性）建立。高速ADC的輸入帶寬通常在2倍時鍾速率指標附近
；因此，使用高速ADC時通常不需要額外的濾波。

 

與常規非采樣放大器不同，THA頻(pin)域(yu)中(zhong)的(de)有(you)效(xiao)等(deng)效(xiao)輸(shu)入(ru)噪(zao)聲(sheng)譜(pu)密(mi)度(du)取(qu)決(jue)於(yu)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)之(zhi)前(qian)的(de)輸(shu)出(chu)濾(lv)波(bo)帶(dai)寬(kuan)。出(chu)於(yu)這(zhe)個(ge)原(yuan)因(yin)
，采(cai)樣(yang)器(qi)件(jian)通(tong)常(chang)不(bu)會(hui)用(yong)這(zhe)些(xie)項(xiang)來(lai)指(zhi)定(ding)噪(zao)聲(sheng)，因(yin)為(wei)實(shi)際(ji)輸(shu)出(chu)噪(zao)聲(sheng)是(shi)采(cai)樣(yang)輸(shu)入(ru)緩衝器zaoshengdefuzahanshu，qijiangzhenggeshurudaikuanzhongdezaoshenghundiedaodiyinaikuisitequjian，shuchuhuanchongfangdaqizaoshengxiangyingshuchuxiandaidefangshiyuchangguifangdaqixiangsi。caiyangxitongdezhongyaozhibiaoliangshisuobaochishuchuyangbenzhongdeshiyushuchuzaosheng（參見HMC661LC4B數據手冊），因為ADC會轉換此輸出噪聲。

 

折合到輸入端的頻域噪聲密度最好通過下式確定：輸出時域采樣噪聲除以輸入采樣帶寬與π/2的乘積的平方根。

 

單極點帶寬和輸出時域噪聲相同時
，該定義給出的折合到輸入端噪聲密度與單位增益連續波(CW)放大器（未采樣）相同。之所以有π/2，是因為單極點低通傳遞函數的有效噪聲帶寬為BW3dB×π/2。對於沒有輸出限帶的HMC661LC4B（例如輸出緩衝放大器的全部7 GHz帶寬）
，當使用1.05 mV rms時域采樣噪聲和18 GHz 3 dB輸入帶寬時，此噪聲帶寬對應於約6.2 nV/(√Hz)的等效輸入噪聲密度。由於熱本底噪聲為0.64 nV/(√Hz)，所以有效噪聲指數約為19.7 dB。此噪聲指數很高，這是因為THA中有好幾級

，所有級均以單位增益工作
，故每級都會增加噪聲。

 

就(jiu)等(deng)效(xiao)輸(shu)入(ru)噪(zao)聲(sheng)性(xing)能(neng)而(er)言(yan)

，有(you)效(xiao)采(cai)樣(yang)噪(zao)聲(sheng)指(zhi)數(shu)的(de)這(zhe)種(zhong)定(ding)義(yi)對(dui)普(pu)通(tong)非(fei)采(cai)樣(yang)放(fang)大(da)器(qi)是(shi)一(yi)個(ge)合(he)理(li)的(de)比(bi)較(jiao)。這(zhe)並(bing)未(wei)考(kao)慮(lv)采(cai)樣(yang)引(yin)起(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)折(zhe)疊(die)
，而(er)典(dian)型(xing)混(hun)頻(pin)器(qi)噪(zao)聲(sheng)指(zhi)數(shu)定(ding)義(yi)可(ke)能(neng)會(hui)使(shi)用(yong)噪(zao)聲(sheng)折(zhe)疊(die)。要(yao)獲(huo)得(de)混(hun)頻(pin)器(qi)噪(zao)聲(sheng)指(zhi)數(shu)定(ding)義(yi)，須(xu)添(tian)加(jia)一(yi)個(ge)噪(zao)聲(sheng)折(zhe)疊(die)修(xiu)正(zheng)係(xi)數(shu)，它(ta)由(you)輸(shu)入(ru)采(cai)樣(yang)噪(zao)聲(sheng)帶(dai)寬(kuan)與(yu)奈(nai)奎(kui)斯(si)特(te)帶(dai)寬(kuan)的(de)比(bi)值(zhi)給(gei)出(chu)，如(ru)下(xia)式(shi)所(suo)示(shi)：

 

NFCORRECTION= 噪聲指數采樣折疊校正 = 10log(BWN_INPUT/(fCLK_TH/2))

 

其中，BWN_INPUT表示輸入采樣帶寬的有效噪聲帶寬。

 

例如，當HMC661LC4B以4 GHz時鍾速率工作時
，噪聲折疊(18 GHz×π/2)至2 GHz的奈奎斯特區間所導致的額外降級是由混頻器定義的，噪聲指數額外降低約11.5 dB ，產生19.7dB + 11.5dB = 31.2dB的混頻器定義總噪聲指數。

 

為了估算輸出噪聲頻譜，應利用如下事實：所有前端噪聲都被外差或折疊到一個奈奎斯特區間中，而輸出緩衝器噪聲分布在輸出緩衝器噪聲帶寬的大約7×π/2 GHz上。仿真表明，盡管小信號輸出緩衝器帶寬為7 GHz

，HMC661LC4B和HMC760LC4B中的組合輸出緩衝放大器級的有效噪聲帶寬約為12.6 GHz
，對應於8 GHz的有效-3 dB噪聲密度帶寬。這種微小差異似乎是由噪聲在信號鏈中不同帶寬點的分布式貢獻造成的。表1和表2顯示了不同輸出噪聲帶寬濾波情況下HMC661LC4B和HMC760LC4B的輸出時域和頻域噪聲分量的明細，工作時鍾速率為1 GHz。

 

完整輸出帶寬數據來自全布線寄生效應下的詳細芯片仿真，但結果與實驗室數據相當吻合（對於HMC661LC4B，測得的集成噪聲電壓VNT = 1.05 mV rms）。假定輸出緩衝器噪聲譜密度不變（因為濾波通常在外部進行）
，計算輸出帶寬減小的情況。表1和表2模擬了完整輸出帶寬情況下的VNT_SAMPLE、VNT_OUT和VNF_OUT。根據這些基本參數可直接導出所有其他量。

 

在采樣過程中，下遊ADC將輸入帶寬（表1和表2中所示的濾波和ADC輸入帶寬的組合）上的所有THA噪聲外差到一個ADC奈奎斯特區間。因此，總折疊噪聲是ADC噪聲帶寬上的總THA輸出放大器時域噪聲的一部分。

 

作為參考，使用HMC661LC4B驅動National Semiconductor ADC12D1600 ADC的數據與表1和表2中的仿真值具有很好的一致性。特別是，針對ADC快速傅立葉變換(FFT)中的譜密度，測得THA噪聲分量約為37 nV/(√Hz)。National Semiconductor轉換器的輸入噪聲帶寬估計約為2.8(π/2) = 4.4 GHz。對於這種情況
，總THA輸出時域噪聲約為0.98 mV rms，對應於43.9 nV/√Hz的噪聲譜密度（經ADC采樣後）。此值在ADC數字化噪聲頻譜中的實測THA分量的1.5 dB以內。

 

表1：HMC661LC4B 18 GHz帶寬THA仿真和計算得到的噪聲分量彙總，時鍾頻率為1 GHz。

 

1針對任何濾波和ADC帶寬。

2仿真值
，所有其他值均由仿真值計算。

 

表2：HMC760LC4B 5.5 GHz帶寬THA仿真和計算得到的噪聲分量彙總
，時鍾頻率為1 GHz。

 

1針對任何濾波和ADC帶寬。

2仿真值，所有其他值均由仿真值計算。

 

為了估算THA的輸出噪聲譜密度，用戶可以將樣本時域噪聲擴展到一個奈奎斯特帶寬上
，並在下遊ADC的有效噪聲檢測帶寬上對輸出緩衝器噪聲譜密度進行濾波。因此，必須獲得以下估算結果：

 

VNF_SAMPLE(f) = VNT_SAMPLE/(fCLK/2)1/2 VNF_OUTPUT(f) = 5.46 nV/√Hz (至7 GHz帶寬) VNF = [(VNF_SAMPLE)2 + (VNF_OUTPUT)2]1/2 VNF_TH_ADC = VNT/(fCLK/2)1/2

 

其中： VNT和VNT_x是時域噪聲量。 VNF和VNF_x是頻域譜密度。

 

此計算假定僅測量輸出波形的保持模式部分的頻譜內容。如果ADC以相同時鍾速率對THA波形進行采樣，則在ADC輸入帶寬上發生的總時域噪聲（包括THA輸出端的任何額外輸出濾波）將擴展到一個ADC奈奎斯特區間上。原則上，這些計算可以針對任意時鍾頻率執行。很顯然，THA采樣噪聲占主導地位；因此
，輸出濾波的影響和好處是有限的。

 

在(zai)較(jiao)高(gao)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)下(xia)，時(shi)鍾(zhong)和(he)信(xin)號(hao)的(de)抖(dou)動(dong)會(hui)給(gei)采(cai)樣(yang)噪(zao)聲(sheng)帶(dai)來(lai)一(yi)個(ge)額(e)外(wai)的(de)噪(zao)聲(sheng)分(fen)量(liang)。在(zai)這(zhe)種(zhong)較(jiao)高(gao)時(shi)鍾(zhong)頻(pin)率(lv)下(xia)，抖(dou)動(dong)噪(zao)聲(sheng)不(bu)可(ke)忽(hu)略(lve)，必(bi)須(xu)包(bao)含(han)在(zai)總(zong)噪(zao)聲(sheng)中(zhong)。抖(dou)動(dong)噪(zao)聲(sheng)通(tong)常(chang)通(tong)過(guo)引(yin)用(yong)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)中(zhong)的(de)抖(dou)動(dong)規(gui)格(ge)進(jin)行(xing)量(liang)化(hua)，因(yin)為(wei)抖(dou)動(dong)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)很(hen)容(rong)易(yi)計(ji)算(suan)，它(ta)取(qu)決(jue)於(yu)輸(shu)入(ru)頻(pin)率(lv)和(he)抖(dou)動(dong)值(zhi)。一(yi)般(ban)而(er)言(yan)
，采(cai)樣(yang)過(guo)程(cheng)中(zhong)抖(dou)動(dong)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)均(jun)方(fang)根(gen)值(zhi)近(jin)似(si)等(deng)於(yu)

 

VNT_JITTER ~ SR × tj

 

其中： SR為采樣點處的信號壓擺率。 tj為均方根抖動。

 

對於正弦信號
，壓擺率(SR)峰值通過下式計算： VIN × 2π × fSIGNAL

 

其中： VIN為零到峰值信號電平。 fSIGNAL為信號頻率。

 

經過統計平均後，用於此計算的有效壓擺率基於VIN的均方根值，有效壓擺率(SREFFECTIVE) = (VIN/21/2) × 2π × fSIGNAL。因此，總抖動噪聲（在時域樣本中）為

 

VNT_JITTER = SREFFECTIVE × tj = (VIN/21/2) × 2π × fSIGNAL × tj

 

這種不可避免的噪聲分量隨著頻率線性增加。因此
，受抖動限製的信噪比(SNR)為 SNRJITTER ~ −20log[1/(2π × fSIGNAL × tj)]。

 

要計算給定頻率時的總噪聲，須將抖動噪聲功率與熱噪聲功率相加。在HMC661LC4B數據手冊中，HMC661LC4B THA中的抖動值 < 70 fs，這是僅對THA進行專門抖動測量得到的。在THA和ADC組合測量中測得的典型值與THA單獨測量的結果基本一致
，約為65 fs。在zai給gei定ding奈nai奎kui斯si特te采cai樣yang間jian隔ge中zhong，這zhe種zhong噪zao聲sheng往wang往wang具ju有you相xiang對dui平ping坦tan的de頻pin譜pu。要yao通tong過guo平ping均jun降jiang低di這zhe種zhong噪zao聲sheng的de電dian平ping的de均jun值zhi，應ying使shi用yong多duo個ge獨du立li的de數shu據ju記ji錄lu。為wei了le實shi現xian這zhe種zhong水shui平ping的de子zi係xi統tong總zong抖dou動dong，必bi須xu使shi用yong良liang好hao的de信xin號hao和he時shi鍾zhong發fa生sheng器qi並bing相xiang互hu鎖suo相xiang，信xin號hao和he時shi鍾zhong發fa生sheng器qi的de輸shu出chu必bi須xu進jin行xing濾lv波bo以yi消xiao除chu非fei諧xie波bo雜za散san信xin號hao。

 

即便最先進的低相位噪聲合成信號發生器
，也可能會給采用HMC661LC4B的采樣係統帶來顯著的抖動，特別是當整合信號與時鍾發生器之間的鎖相抖動時。對施加於THA的發生器輸出信號進行帶通濾波，可觀察發生器噪聲引起的抖動的影響。在此情況下，在THA輸出信號和任何經ADC FFT處chu理li的de輸shu出chu頻pin譜pu上shang可ke觀guan察cha到dao對dui應ying於yu帶dai通tong濾lv波bo器qi帶dai寬kuan的de相xiang位wei噪zao聲sheng邊bian帶dai。使shi用yong較jiao小xiao濾lv波bo器qi帶dai寬kuan以yi消xiao除chu來lai自zi發fa生sheng器qi的de寬kuan帶dai噪zao聲sheng，可ke獲huo得de最zui佳jia性xing能neng。此ci外wai還hai必bi須xu保bao持chi合he理li的de時shi鍾zhong擺bai率lv。對dui每mei個ge時shi鍾zhong差cha分fen半ban電dian路lu輸shu入ru使shi用yong2 V/ns至4 V/ns，以實現HMC661LC4B數據手冊中說明的抖動性能。如果THA用在ADC之前，則THA決定抖動
，ADC的抖動基本可以忽略不計
，因為它是對THA輸出的穩定保持波形進行采樣。還可以通過多次記錄求平均或擴頻處理技術來處理抖動噪聲，從而提高SNR。THA抖動噪聲分量同樣分布在一個奈奎斯特區間內，因為它往往是寬帶噪聲。因此
，抖動頻譜噪聲密度為

 

VNF_JITTER~ VNT_JITTER/(fCLK/2)1/2

 

這三個噪聲貢獻（樣本熱噪聲、樣本抖動噪聲和輸出緩衝器噪聲）不具相關性
，其功率線性相加。


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