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(shù)轉(zhuǎn)換器。它同時(shí)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(fā)信機(jī)的反饋與接收通道。

目前用于基站收發(fā)信機(jī)的高速模數(shù)轉(zhuǎn)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(jī)的性能。但是此功能同時(shí)也會(huì)引起 ADC 的碼域翻轉(zhuǎn)（code toggle），如果 PCB 布局不當(dāng)，會(huì)造成 ADC 采集小信號(hào)功率不準(zhǔn)確。本文以 ADS58H40 為例，分析了碼域翻轉(zhuǎn)干擾所帶來(lái)的問(wèn)題，并提供了PCB 優(yōu)化解決方案。

直流偏移(DC offset)是由外界的直流信號(hào)分量與原信號(hào)的直流疊加形成。在基站收發(fā)信機(jī)中，它主要是由本振泄露與混頻器或IQ 解調(diào)器的非線性產(chǎn)生。直流偏移會(huì)對(duì)有用信號(hào)形成干擾，通常需要使用ADC 的直流偏移校正功能來(lái)抑制它。

從碼域上來(lái)看對(duì)于一個(gè)理想的11 bit ADC，其中間碼應(yīng)該是2^(11-1)=1024。用二進(jìn)制補(bǔ)碼來(lái)表示就是0x000。由于二進(jìn)制補(bǔ)碼的最高位表示符號(hào)位，所以對(duì)應(yīng)的11 bit 數(shù)據(jù)范圍是從0x000 到0x7FF。0x7FF 表示-1，對(duì)應(yīng)為1023。在無(wú)有用信號(hào)輸入時(shí)，理想狀態(tài)下，11 bit ADC采集出來(lái)的信號(hào)在碼域就應(yīng)該為0x000。但是事實(shí)上外界還有熱噪聲（thermal noise）與直流偏移會(huì)被ADC 采集到。直流偏移在碼域上會(huì)使ADC 空采所獲得的碼相對(duì)0x000 向上偏移一些，而熱噪聲信號(hào)的自然波動(dòng)也會(huì)疊加到直流偏移所表示的碼上面。ADC 的DC offset correction function 會(huì)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：

圖1、DC offset correction

下面用兩張圖示來(lái)對(duì)比說(shuō)明ADC 未使能與使能DC offset correction function 在碼域上的區(qū)別。

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

圖2、DC Offset Correction Disabled for an idle 11bit ADC channel

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

圖3、DC Offset Correction Enabled for an idle 11bit ADC channel

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)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(dòng)，變成了圍繞著0x000碼波動(dòng)。因此在使能DC offset correction function 時(shí)，熱噪聲的自然波動(dòng)會(huì)引起碼域從0x000 到0x7FF 的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)。體現(xiàn)在ADC 的11 bit 數(shù)據(jù)線上就是ADC 空采時(shí)，所有數(shù)據(jù)線的電平都同時(shí)在邏輯0 與邏輯1 之間切換。此時(shí)數(shù)據(jù)線對(duì)外的干擾是最大的。如果在PCB 布局上不夠謹(jǐn)慎，就會(huì)使這個(gè)干擾信號(hào)耦合到ADC 的模擬輸入端。雖然這個(gè)耦合的干擾信號(hào)幅度并不大，但是它對(duì)ADC 的輸入信號(hào)，尤其是輸入的小信號(hào)在頻域上會(huì)形成波浪型干擾，在ADC 空采時(shí)，則體現(xiàn)為紋波底噪（ripple noise floor）。

2、碼域翻轉(zhuǎn)干擾所帶來(lái)的問(wèn)題

以ADS58H40 為例，圖示說(shuō)明碼域翻轉(zhuǎn)干擾信號(hào)耦合到ADC 模擬輸入端的后果。

圖4、Digital output coupling to input

在PCB 布局不理想時(shí)，如上圖所示輸出數(shù)據(jù)端直接或間接的通過(guò)時(shí)鐘或ADC 的VCM 耦合到了ADC 的模擬輸入端。

受此干擾信號(hào)影響，將ADS58H40 通道空采得到的數(shù)據(jù)做FFT 變換得到的頻域圖如下：

圖5、Ripple noise floor caused by code toggle interference coupling

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(huì)導(dǎo)致小信號(hào)的幅度測(cè)量不準(zhǔn)確，影響接收機(jī)靈敏度的測(cè)試。

為了進(jìn)一步說(shuō)明碼域翻轉(zhuǎn)干擾的影響。用不同幅度的信號(hào)輸入給 ADS58H40 進(jìn)行掃頻測(cè)試， 將采集到的數(shù)據(jù)制圖如下：

圖6、Frequency scan for different input signal level with interference

ADS58H40 的采樣時(shí)鐘為 245.76MHz，針對(duì)其第二奈奎斯特域的中心 60M 范圍，使用 5 個(gè)功率等級(jí)進(jìn)行掃頻。在功率大于-40dBFs 時(shí)，由于 PCB 布局不當(dāng)所引入的碼域翻轉(zhuǎn)干擾對(duì)輸入信號(hào)影響很?。ㄓ捎?ADC 前端有濾波器的關(guān)系，所以輸入信號(hào)不是完全平整的）。但是隨著輸入信號(hào)功率的減小此干擾對(duì)輸入信號(hào)的影響越來(lái)越大，在輸入信號(hào)幅度低于-60dBFs 時(shí)，去除模擬輸入端濾波器的影響后其引起的功率誤差依然可以達(dá)到 3dB 以上。

3、針對(duì)碼域翻轉(zhuǎn)干擾的 ADS58H40 PCB 布局優(yōu)化

為了避免碼域翻轉(zhuǎn)干擾耦合到 ADC 的模擬輸入端，需要針對(duì)性的避免一些不當(dāng)?shù)?PCB 布局。碼域翻轉(zhuǎn)干擾可以通過(guò)三個(gè)途徑耦合：（1）數(shù)據(jù)輸出線與模擬輸入電路布局很近且平行，直接耦合。（2）數(shù)據(jù)輸出線耦合到 ADC 的時(shí)鐘信號(hào)再間接耦合到模擬輸入端。（3）數(shù)據(jù)輸出線耦合到 ADC 的 VCM，再通過(guò) VCM 間接耦合到模擬輸入端。

圖7、ADS58H40 PCB layout

上圖為 ADS58H40EVM 評(píng)估板的 PCB 布局，在基站收發(fā)信機(jī)上不會(huì)有這么大的空間來(lái)給其布局，一些走線難免會(huì)離得很近，所以針對(duì)碼域翻轉(zhuǎn)干擾的三個(gè)耦合途徑，建議對(duì) ADS58H40 PCB布局做出以下三個(gè)優(yōu)化：

（1） ADS58H40 的數(shù)據(jù)輸出 LVDS 線與模擬輸入電路分開布局，不要平行或交叉。 （2） ADS58H40 的采樣時(shí)鐘線與隨路時(shí)鐘線布局盡可能的遠(yuǎn)離模擬輸入端，不要與其近距離平行。 （3） ADS58H40 的 VCM 線最好通過(guò)過(guò)孔直接從模擬輸入電路的差分端中間接入，如上圖四個(gè)紅色圈的中心。在模擬輸入端 VCM 接入口必須加上對(duì)地的濾波電容。VCM 信號(hào)不要做成 VCM 電源平面，而且布局時(shí)使其盡量遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)輸出線。

經(jīng)過(guò) PCB 布局優(yōu)化的 ADS58H40 使能 DC offset correction function 后不再具有紋波底噪，而且 ADC 底噪更佳（圖8）。在-60dBFs 的小信號(hào)掃頻測(cè)試中，去除模擬輸入端濾波器的影響后其波動(dòng)在 0.5dB 以內(nèi)。

圖8、Normal noise floor after PCB layout optimization

4、結(jié)論

ADC 的 DC offset correction function 可以有效的抑制直流偏移所帶來(lái)的誤差。不過(guò)在PCB 布局不當(dāng)時(shí)，開啟此功能所帶來(lái)的碼域翻轉(zhuǎn)干擾會(huì)使 ADC 具有紋波底噪并且其采集到的小信號(hào)幅度波動(dòng)會(huì)達(dá)到 3dB 以上。通過(guò)針對(duì)性的 PCB 布局優(yōu)化可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題，將-60dBFs的小信號(hào)波動(dòng)控制在 0.5dB 以內(nèi)。

作者：凃浩異 (Lance Tu)，TI