高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的相位不平衡測試

使用高速ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)進行產(chǎn)品開發(fā)時，或者評估這些器件以便用于設(shè)計時，必須注意ADC的輸出諧波。ADC通常使用差分輸入，使共模噪聲和失真降至最低，但只有在平衡和對稱的情況下，這些輸入才能發(fā)揮最大效用?？梢允褂靡粋€由兩個RF信號發(fā)生器和一個振蕩器組成的測試系統(tǒng)，來測量差分不平衡對ADC輸入的影響。

當ADC的差分模擬輸入由于驅(qū)動錯相而變得不平衡時，器件輸出中的偶次階失真會提高。下面說明如何測量高速ADC的諧波性能，以便了解差分不平衡的影響。

1 測試設(shè)置

測試設(shè)置(如圖1所示)使用兩個RF信號發(fā)生器驅(qū)動2 MHz至300 MHz頻率范圍的ADC模擬輸入。必須使信號發(fā)生器的參考頻率彼此鎖定，這樣有助于限制相位隨時間變化而發(fā)生的非預期漂移。每個信號發(fā)生器的輸出均通過一個低通濾波器，低通濾波器連接到一個雙路低損耗分路器，從而可以利用示波器來觀察差分信號。各輸入端應使用相同制造商和型號的低損耗分路器。為了使用ADC，需要一個評估板。此外，分路器前應使用兩個相同制造商和型號的低通濾波器或帶通濾波器，以便限制來自信號發(fā)生器的寬帶噪聲。

圖1 用于測量相位不平衡的測試設(shè)置

一致的模擬信號路徑可以將測量誤差降至最小。分路器前后的電纜應為同一類型并且長度相同。從信號發(fā)生器到分路器的電纜長度必須相同，這點很容易明白。分路器之后的電纜長度(連接到ADC和示波器)容易忽略，也需要相同的長度以保護測量結(jié)果。如果評估板上具有從連接點到ADC引腳的走線，則從分路器到示波器也必須復制相同長度的走線。因此，考慮到走線差異，從分路器到示波器的電纜長度可能需要略有不同。同等信號路徑可確保您在示波器上查看的信號能夠準確代表ADC模擬輸入引腳上的信號。

推薦方法似乎應當是把示波器探頭引線直接焊接到ADC的模擬輸入端，以便獲得正確的長度匹配，但這種方法會增加ADC探測模擬輸入端的寄生電容和電感，引起測量波動。適當?shù)奶筋^結(jié)合電纜和分路器，可以將寄生電容和電感降至最低，從而在示波器上產(chǎn)生更干凈的信號。

務必使用適當帶寬的示波器，以便顯示差分模擬輸入測試頻率。注意隨時監(jiān)控各信號發(fā)生器，測試信號應保持穩(wěn)定。可以使用示波器的數(shù)學功能來確保兩個信號具有正確的相位和幅度關(guān)系，即當差分輸入180°反相時，信號A + 信號B應盡可能接近0 V。當然，隨著信號偏離180°，信號幅度之和應增大，但無論相位如何偏移，都應當能夠使用該信號。由此便可確定正確的相位參考點(180°反相)，從該點開始測試。

評估板需要一個干凈的時鐘信號。務必使用低相位噪聲的振蕩器或信號源，這樣才不會限制ADC的性能。ADI公司使用250 MHz Wenzel晶振和TTE 250 MHz帶通濾波器。圖2從左至右分別顯示的是示波器、濾波器和高速ADC評估板。

圖2 由示波器、低通濾波器和ADC評估板(從左至右) 組成的采樣時鐘設(shè)置

當ADC的模擬輸入與示波器不同相時，兩個信號之間的差分幅度不匹配會導致ADC輸入信號的基頻功率略有降低。應使用FFT(快速傅里葉變換)監(jiān)控測試頻率在所有相位變化下的基頻電平。對幅度進行微調(diào)，確保ADC始終以相同的電平工作。基頻功率的差異會導致結(jié)果不準確，說明ADC由于相位和基頻功率變得不準確而表現(xiàn)不佳。

圖3顯示同一器件以相同頻率工作，并使用ADI公司Visual Analog軟件獲得的兩個FFT讀數(shù)。圖3a和圖3b分別突出顯示了當兩個輸入信號之間的相位差為0°(圖3a)和20°(圖3b)時的基頻幅度差異，圖3b中的二次諧波功率有所提高。

圖3 a) 當兩個輸入信號之間的相位差偏移20° (b)時， 二次諧波(標記為“2”)的功率提高

2 測試程序

要開始測試，請設(shè)置其中一個信號發(fā)生器產(chǎn)生相位偏移等于0°的信號，并設(shè)置另一個信號發(fā)生器，使示波器顯示兩個相差180°的波形。這兩個波形的幅度彼此接近，頻率完全相同，使用示波器的數(shù)學功能(通道A + 通道B)將得到一條基本上為0 V的平坦直線。注意，由于發(fā)生器本身存在誤差，信號發(fā)生器不一定需要設(shè)置完全相同的幅度。這里的任何差異都是由信號發(fā)生器本身相對于頻率的參考增益和相位誤差引起的，因此，必須使用示波器將相位或幅度誤差調(diào)零，從而盡可能降低測量誤差。接下來，您可以讓一個信號發(fā)生器在0°相位偏移下掃描+30°至-30°，同時另一個信號發(fā)生器的相位保持不變。

您需要選擇某一基頻功率，然后在整個測試過程中維持該功率不變。本次試驗中，我們將各信號發(fā)生器的基頻信號功率設(shè)置為-6 dBFS。設(shè)置基頻信號的功率后，應利用示波器的數(shù)學功能檢查兩個信號的相位和幅度。數(shù)學功能的峰峰值電平應盡可能接近0。一旦測量系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，就可以使用該點作為0°錯相參考起始點。

測試應包括保存+30°至-30°范圍(相對于信號相差180°時的參考點)內(nèi)每一度錯相的ADC二次和三次諧波性能。當兩個信號的相位差偏離180°時，載波信號的功率會像前面的圖3所示一樣下降。因此，需要利用兩個信號發(fā)生器的輸出幅度，使基頻信號的功率水平保持不變。使用示波器來確認信號幅度，在時域中顯示經(jīng)過任何調(diào)整之后的信號。一旦采集到30個數(shù)據(jù)點(1°偏移至30°偏移)，就可以設(shè)置信號發(fā)生器輸出電平，使其信號再次相差180°，并且重新調(diào)整幅度，確保不發(fā)生任何未知的幅度或相位漂移。對于從0°參考點開始的-1°至-30°偏移，重復上述程序。

在轉(zhuǎn)換器或其目標應用的有用帶寬內(nèi)執(zhí)行測量。本次試驗中，我們使用了2 MHz、70 MHz、170 MHz和300 MHz的輸入頻率，同時調(diào)整了分路器前的濾波器帶寬，以支持測試信號的適當帶寬。

3 測試結(jié)果

圖4顯示了從2 MHz到300 MHz輸入頻率的歸一化數(shù)據(jù)集合。低頻對相位不平衡的耐受能力高于高頻。此圖顯示諧波功率隨著頻率而提高。這些測量數(shù)據(jù)顯示的相對測量結(jié)果，目的不在于說明ADC的真實性能，而是讓您了解模擬輸入信號相位不平衡時的變化趨勢。

圖4 低頻時的二次諧波功率低于高頻時的二次諧波功率

由于正向和負向的相位變化產(chǎn)生的結(jié)果相似，因此對正偏移和負偏移產(chǎn)生的諧波進行平均，并且歸一化到零點。通過試驗可以看出，隨著頻率升高，相位對器件的二次諧波性能有直接影響。

圖5以地形圖形式顯示了相位偏差、模擬輸入頻率和二次諧波性能之間的關(guān)系。隨著相位偏差增大，所有頻率的輸入信號(dB)都下降，表現(xiàn)為輸入信號的二次諧波幅度提高。

圖5 二次諧波功率與頻率和相位偏差的關(guān)系

圖6與圖4相似，顯示了每個頻率下歸一化輸入信號的三次諧波性能。相位偏差對三次諧波的影響遠小于對二次諧波的影響。無論是低頻還是高頻，轉(zhuǎn)換器的性能相對于任何相位偏差都是平坦的。

圖6 無論頻率高低，三次諧波功率的差別不大

圖7以地形圖形式顯示了三次諧波的平均性能。只需看看刻度的差異，就能明白轉(zhuǎn)換器的三次諧波性能與頻率相位偏差的關(guān)系不像二次諧波那樣密切，這是因為ADC的奇數(shù)階非線性主要取決于轉(zhuǎn)換器對調(diào)整、校準、設(shè)計或工藝限制的響應。

圖7 諧波功率與頻率和相位偏移的關(guān)系說明：功率提高是相位偏移的結(jié)果，而不是頻率偏移的結(jié)果

4 結(jié)語

上述測量進一步證實，偶次階失真與平衡和對稱有關(guān)。同時還表明，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊所述的性能，前端輸入網(wǎng)絡設(shè)計需要確保ADC模擬輸入引腳的模擬輸入(通常表示為AIN+/-或VIN+/-)之間的相位偏差在±3-4°范圍內(nèi)。