直流偏移校正功能与 ADS58H40 PCB 布局优化

摘要
本文分析了高速 ADC直流偏移校正功能的作用与影响，并针对此以 ADS58H40 为例，优化了其PCB 布局。


1、引言

ADS58H40 是一款由德州仪器（TI）推出的四通道、11/14 比特、采样 250MSPS、接收 90MHz带宽的高性能高速模数转换器。它同时具有用于反馈的 125MHz 带宽的 Burst Mode 与用于接收的 90MHz 带宽的SNRBoost Mode，适用于基站收发信机的反馈与接收通道。

目前用于基站收发信机的高速模数转换器（ADC）大多都具有直流偏移校正功能（DC offset correctionfunction）。它用于校正 ADC 接收到的直流，以免其降低接收机的性能。但是此功能同时也会引起 ADC 的码域翻转（code toggle），如果 PCB 布局不当，会造成 ADC 采集小信号功率不准确。本文以 ADS58H40为例，分析了码域翻转干扰所带来的问题，并提供了PCB 优化解决方案。

2、高速 ADC直流偏移校正功能的作用与影响

直流偏移(DC offset)是由外界的直流信号分量与原信号的直流叠加形成。在基站收发信机中，它主要是由本振泄露与混频器或 IQ 解调器的非线性产生。直流偏移会对有用信号形成干扰，通常需要使用 ADC 的直流偏移校正功能来抑制它。

从码域上来看对于一个理想的 11 bit ADC，其中间码应该是 2^(11-1)=1024。用二进制补码来表示就是0x000。由于二进制补码的最高位表示符号位，所以对应的 11 bit 数据范围是从0x000 到 0x7FF。0x7FF表示-1，对应为 1023。在无有用信号输入时，理想状态下，11 bit ADC采集出来的信号在码域就应该为0x000。但是事实上外界还有热噪声（thermal noise）与直流偏移会被 ADC 采集到。直流偏移在码域上会使 ADC 空采所获得的码相对 0x000 向上偏移一些，而热噪声信号的自然波动也会叠加到直流偏移所表示的码上面。ADC 的 DC offset correction function 会修正直流偏移引起的码域误差，将其重新校正到0x000。

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

下面用两张图示来对比说明 ADC 未使能与使能 DC offset correction function 在码域上的区别。

在未使用 ADC 的 DC offset correction function 时，11 bit ADC 空采所得到的热噪声与直流偏移在码域图示如下:

在使用 ADC 的 DC offset correction function 时，11 bit ADC 空采所得到的热噪声与直流偏移在码域图示如下：

通过对比发现使能 ADC 的 DC offset correction function 后，直流偏移引起的码域误差被修正，热噪声在码域上也从基本在 0x000 码以上围绕着直流偏移波动，变成了围绕着 0x000码波动。因此在使能 DCoffset correction function 时，热噪声的自然波动会引起码域从0x000 到 0x7FF 的随机翻转。体现在ADC 的 11 bit 数据线上就是 ADC 空采时，所有数据线的电平都同时在逻辑 0 与逻辑 1 之间切换。此时数据线对外的干扰是最大的。如果在 PCB 布局上不够谨慎，就会使这个干扰信号耦合到 ADC 的模拟输入端。虽然这个耦合的干扰信号幅度并不大，但是它对 ADC 的输入信号，尤其是输入的小信号在频域上会形成波浪型干扰，在 ADC 空采时，则体现为纹波底噪（ripple noise floor）。