採樣保持(THA)輸出雜訊的兩個關鍵雜訊分量

採樣雜訊分量

雜訊的第一個分量是採樣過程中產生的採樣雜訊，它用外差法將THA的前端雜訊轉化到頻域的每個奈奎斯特區間中。整個前端帶寬產生的雜訊是在每個時域樣本中捕獲，然後將該雜訊大致均勻地分布在每個奈奎斯特區間上。此雜訊由前端熱雜訊和採樣抖動雜訊組成，無法被濾除，除非在輸出端使用低通濾波器轉折頻率來顯著降低奈奎斯特帶寬。通常不使用這種濾波，因為它會損壞時鐘速率所提供的可用帶寬，並導致輸出波形的建立時間性能降低。

輸出緩衝放大器雜訊分量

雜訊的第二個分量是THA輸出緩衝放大器雜訊貢獻。THA不會對此雜訊採樣，但濾波可以降低此雜訊。可以承受的輸出濾波量取決於所用特定時鐘頻率的建立時間要求。關於容差限制的大致原則是輸出路徑的帶寬（包括模數轉換器(ADC)輸入帶寬）至少為時鐘速率的2倍，以支持下游ADC所採樣的THA波形的精確（例如線性）建立。高速ADC的輸入帶寬通常在2倍時鐘速率指標附近；因此，使用高速ADC時通常不需要額外的濾波。

採樣放大器的雜訊密度

與常規非採樣放大器不同，THA頻域中的有效等效輸入雜訊譜密度取決於模數轉換之前的輸出濾波帶寬。出於這個原因，採樣器件通常不會用這些項來指定雜訊，因為實際輸出雜訊是採樣輸入緩衝器雜訊的複雜函數，其將整個輸入帶寬中的雜訊混疊到第一奈奎斯特區間，輸出緩衝放大器雜訊響應輸出限帶的方式與常規放大器相似。採樣系統的重要指標量是所保持輸出樣本中的時域輸出雜訊（參見HMC661LC4B數據手冊），因為ADC會轉換此輸出雜訊。

摺合到輸入端的頻域雜訊密度最好通過下式確定：輸出時域採樣雜訊除以輸入採樣帶寬與π/2的乘積的平方根。

單極點帶寬和輸出時域雜訊相同時，該定義給出的摺合到輸入端雜訊密度與單位增益連續波(CW)放大器（未採樣）相同。之所以有π/2，是因為單極點低通傳遞函數的有效雜訊帶寬為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時域採樣雜訊和18 GHz 3 dB輸入帶寬時，此雜訊帶寬對應於約6.2 nV/(√Hz)的等效輸入雜訊密度。由於熱本底雜訊為0.64 nV/(√Hz)，所以有效雜訊指數約為19.7 dB。此雜訊指數很高，這是因為THA中有好幾級，所有級均以單位增益工作，故每級都會增加雜訊。

非採樣放大器的雜訊密度

就等效輸入雜訊性能而言，有效採樣雜訊指數的這種定義對普通非採樣放大器是一個合理的比較。這並未考慮採樣引起的雜訊摺疊，而典型混頻器雜訊指數定義可能會使用雜訊摺疊。要獲得混頻器雜訊指數定義，須添加一個雜訊摺疊修正係數，它由輸入採樣雜訊帶寬與奈奎斯特帶寬的比值給出，如下式所示：

NF_CORRECTION= 雜訊指數採樣摺疊校正 = 10log(BW _{N_INPUT}/( _{fCLK _TH}/2))

其中，BW_{N_INPUT}表示輸入採樣帶寬的有效雜訊帶寬。

例如，當HMC661LC4B以4 GHz時鐘速率工作時，雜訊摺疊(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，雜訊指數額外降低約11.5 dB ，產生19.7dB + 11.5dB = 31.2dB的混頻器定義總雜訊指數。

估算輸出雜訊頻譜

為了估算輸出雜訊頻譜，應利用如下事實：所有前端雜訊都被外差或摺疊到一個奈奎斯特區間中，而輸出緩衝器雜訊分布在輸出緩衝器雜訊帶寬的大約7×π/2 GHz上。模擬表明，儘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雜訊帶寬約為12.6 GHz，對應於8 GHz的有效-3 dB雜訊密度帶寬。這種微小差異似乎是由雜訊在信號鏈中不同帶寬點的分散式貢獻造成的。表1和表2顯示了不同輸出雜訊帶寬濾波情況下HMC661LC4B和HMC760LC4B的輸出時域和頻域雜訊分量的明細，工作時鐘速率為1 GHz。

獲得完整輸出帶寬

完整輸出帶寬數據來自全布線寄生效應下的詳細晶元模擬，但結果與實驗室數據相當吻合（對於HMC661LC4B，測得的集成雜訊電壓VNT = 1.05 mV rms）。假定輸出緩衝器雜訊譜密度不變（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。

在採樣過程中，下游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雜訊外差到一個ADC奈奎斯特區間。因此，總摺疊雜訊是ADC雜訊帶寬上的總THA輸出放大器時域雜訊的一部分。

作為參考，使用HMC661LC4B驅動National Semiconductor ADC12D1600 ADC的數據與表1和表2中的模擬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雜訊分量約為37 nV/(√Hz)。National Semiconductor轉換器的輸入雜訊帶寬估計約為2.8(π/2) = 4.4 GHz。對於這種情況，總THA輸出時域雜訊約為0.98 mV rms，對應於43.9 nV/√Hz的雜訊譜密度（經ADC採樣後）。此值在ADC數字化雜訊頻譜中的實測THA分量的1.5 dB以內。

表1.HMC661LC4B 18 GHz帶寬THA模擬和計算得到的雜訊分量匯總，時鐘頻率為1 GHz

1針對任何濾波和ADC帶寬。

2模擬值，所有其他值均由模擬值計算。

表2.HMC760LC4B 5.5 GHz帶寬THA模擬和計算得到的雜訊分量匯總，時鐘頻率為1 GHz

結語

為了估算THA的輸出雜訊譜密度，用戶可以將樣本時域雜訊擴展到一個奈奎斯特帶寬上，並在下游ADC的有效雜訊檢測帶寬上對輸出緩衝器雜訊譜密度進行濾波。因此，必須獲得以下估算結果：

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

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

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

V_{NF_TH_ADC}= V_NT)/(f_CLK)/2)^1/2

其中：

V_NT和V_{NT_x}是時域雜訊量。

V_NF和V_{NF_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以相同時鐘速率對THA波形進行採樣，則在ADC輸入帶寬上發生的總時域雜訊（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鐘頻率執行。很顯然，THA採樣雜訊佔主導地位；因此，輸出濾波的影響和好處是有限的。

在較高信號頻率下，時鐘和信號的抖動會給採樣雜訊帶來一個額外的雜訊分量。在這種較高時鐘頻率下，抖動雜訊不可忽略，必須包含在總雜訊中。抖動雜訊通常通過引用數據手冊中的抖動規格進行量化，因為抖動產生的雜訊很容易計算，它取決於輸入頻率和抖動值。一般而言，採樣過程中抖動產生的雜訊均方根值近似等於

V_{)NT_JITTER}) ~ SR × tj

其中：

SR為採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：

V_)IN) × 2π × f_)SIGNAL)

其中：

V_)IN)為零到峰值信號電平。

f_)SIGNAL)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V_)IN)的均方根值，有效壓擺率(SR_)EFFECTIVE)) = (V_)IN/)2^1/2) × 2π × f_SIGNAL。因此，總抖動雜訊（在時域樣本中）為

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

這種不可避免的雜訊分量隨著頻率線性增加。因此，受抖動限制的信噪比(SNR)為 SNR_JITTER~ ?20log[1/(2π × f_SIGNAL× tj)]。

要計算給定頻率時的總雜訊，須將抖動雜訊功率與熱雜訊功率相加。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。在給定奈奎斯特採樣間隔中，這種雜訊往往具有相對平坦的頻譜。要降低這種雜訊電平的均值，應使用多個獨立的數據記錄。為了實現這種水平的子系統總抖動，必須使用良好的信號和時鐘發生器並相互鎖相，信號和時鐘發生器的輸出必須進行濾波以消除非諧波雜散信號。

即便最先進的低相位雜訊合成信號發生器，也可能會給採用HMC661LC4B的採樣系統帶來顯著的抖動，特別是當整合信號與時鐘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，可觀察發生器雜訊引起的抖動的影響。在此情況下，在THA輸出信號和任何經ADC FFT處理的輸出頻譜上可觀察到對應於帶通濾波器帶寬的相位雜訊邊帶。使用較小濾波器帶寬以消除來自發生器的寬頻雜訊，可獲得最佳性能。此外還必須保持合理的時鐘擺率。對每個時鐘差分半電路輸入使用2 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採樣。還可以通過多次記錄求平均或擴頻處理技術來處理抖動雜訊，從而提高SNR。THA抖動雜訊分量同樣分布在一個奈奎斯特區間內，因為它往往是寬頻雜訊。因此，抖動頻譜雜訊密度為

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

這三個雜訊貢獻（樣本熱雜訊、樣本抖動雜訊和輸出緩衝器雜訊）不具相關性，其功率線性相加。

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