高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的相位不平衡測(cè)試

使用高速ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，或者評(píng)估這些器件以便用于設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)稱(chēng)的情況下，這些輸入才能發(fā)揮最大效用?？梢允褂靡粋€(gè)由兩個(gè)RF信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)振蕩器組成的測(cè)試系統(tǒng)，來(lái)測(cè)量差分不平衡對(duì)ADC輸入的影響。

當(dāng)ADC的差分模擬輸入由于驅(qū)動(dòng)錯(cuò)相而變得不平衡時(shí)，器件輸出中的偶次階失真會(huì)提高。下面說(shuō)明如何測(cè)量高速ADC的諧波性能，以便了解差分不平衡的影響。

1 測(cè)試設(shè)置

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

圖1 用于測(cè)量相位不平衡的測(cè)試設(shè)置

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

推薦方法似乎應(yīng)當(dāng)是把示波器探頭引線(xiàn)直接焊接到ADC的模擬輸入端，以便獲得正確的長(zhǎng)度匹配，但這種方法會(huì)增加ADC探測(cè)模擬輸入端的寄生電容和電感，引起測(cè)量波動(dòng)。適當(dāng)?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(hào)。

務(wù)必使用適當(dāng)帶寬的示波器，以便顯示差分模擬輸入測(cè)試頻率。注意隨時(shí)監(jiān)控各信號(hào)發(fā)生器，測(cè)試信號(hào)應(yīng)保持穩(wěn)定?？梢允褂檬静ㄆ鞯臄?shù)學(xué)功能來(lái)確保兩個(gè)信號(hào)具有正確的相位和幅度關(guān)系，即當(dāng)差分輸入180°反相時(shí)，信號(hào)A + 信號(hào)B應(yīng)盡可能接近0 V。當(dāng)然，隨著信號(hào)偏離180°，信號(hào)幅度之和應(yīng)增大，但無(wú)論相位如何偏移，都應(yīng)當(dāng)能夠使用該信號(hào)。由此便可確定正確的相位參考點(diǎn)(180°反相)，從該點(diǎn)開(kāi)始測(cè)試。

評(píng)估板需要一個(gè)干凈的時(shí)鐘信號(hào)。務(wù)必使用低相位噪聲的振蕩器或信號(hào)源，這樣才不會(huì)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(píng)估板。

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

當(dāng)ADC的模擬輸入與示波器不同相時(shí)，兩個(gè)信號(hào)之間的差分幅度不匹配會(huì)導(dǎo)致ADC輸入信號(hào)的基頻功率略有降低。應(yīng)使用FFT(快速傅里葉變換)監(jiān)控測(cè)試頻率在所有相位變化下的基頻電平。對(duì)幅度進(jìn)行微調(diào)，確保ADC始終以相同的電平工作?；l功率的差異會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確，說(shuō)明ADC由于相位和基頻功率變得不準(zhǔn)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(gè)FFT讀數(shù)。圖3a和圖3b分別突出顯示了當(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差為0°(圖3a)和20°(圖3b)時(shí)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(dāng)兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位差偏移20° (b)時(shí)， 二次諧波(標(biāo)記為“2”)的功率提高

2 測(cè)試程序

要開(kāi)始測(cè)試，請(qǐng)?jiān)O(shè)置其中一個(gè)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生相位偏移等于0°的信號(hào)，并設(shè)置另一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，使示波器顯示兩個(gè)相差180°的波形。這兩個(gè)波形的幅度彼此接近，頻率完全相同，使用示波器的數(shù)學(xué)功能(通道A + 通道B)將得到一條基本上為0 V的平坦直線(xiàn)。注意，由于發(fā)生器本身存在誤差，信號(hào)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(hào)發(fā)生器本身相對(duì)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(cè)量誤差。接下來(lái)，您可以讓一個(gè)信號(hào)發(fā)生器在0°相位偏移下掃描+30°至-30°，同時(shí)另一個(gè)信號(hào)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(gè)測(cè)試過(guò)程中維持該功率不變。本次試驗(yàn)中，我們將各信號(hào)發(fā)生器的基頻信號(hào)功率設(shè)置為-6 dBFS。設(shè)置基頻信號(hào)的功率后，應(yīng)利用示波器的數(shù)學(xué)功能檢查兩個(gè)信號(hào)的相位和幅度。數(shù)學(xué)功能的峰峰值電平應(yīng)盡可能接近0。一旦測(cè)量系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，就可以使用該點(diǎn)作為0°錯(cuò)相參考起始點(diǎn)。

測(cè)試應(yīng)包括保存+30°至-30°范圍(相對(duì)于信號(hào)相差180°時(shí)的參考點(diǎn))內(nèi)每一度錯(cuò)相的ADC二次和三次諧波性能。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的相位差偏離180°時(shí)，載波信號(hào)的功率會(huì)像前面的圖3所示一樣下降。因此，需要利用兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度，使基頻信號(hào)的功率水平保持不變。使用示波器來(lái)確認(rèn)信號(hào)幅度，在時(shí)域中顯示經(jīng)過(guò)任何調(diào)整之后的信號(hào)。一旦采集到30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(1°偏移至30°偏移)，就可以設(shè)置信號(hào)發(fā)生器輸出電平，使其信號(hào)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(duì)于從0°參考點(diǎn)開(kāi)始的-1°至-30°偏移，重復(fù)上述程序。

在轉(zhuǎn)換器或其目標(biāo)應(yīng)用的有用帶寬內(nèi)執(zhí)行測(cè)量。本次試驗(yàn)中，我們使用了2 MHz、70 MHz、170 MHz和300 MHz的輸入頻率，同時(shí)調(diào)整了分路器前的濾波器帶寬，以支持測(cè)試信號(hào)的適當(dāng)帶寬。

3 測(cè)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(duì)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(cè)量數(shù)據(jù)顯示的相對(duì)測(cè)量結(jié)果，目的不在于說(shuō)明ADC的真實(shí)性能，而是讓您了解模擬輸入信號(hào)相位不平衡時(shí)的變化趨勢(shì)。

圖4 低頻時(shí)的二次諧波功率低于高頻時(shí)的二次諧波功率

由于正向和負(fù)向的相位變化產(chǎn)生的結(jié)果相似，因此對(duì)正偏移和負(fù)偏移產(chǎn)生的諧波進(jìn)行平均，并且歸一化到零點(diǎn)。通過(guò)試驗(yàn)可以看出，隨著頻率升高，相位對(duì)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(hào)(dB)都下降，表現(xiàn)為輸入信號(hào)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(gè)頻率下歸一化輸入信號(hào)的三次諧波性能。相位偏差對(duì)三次諧波的影響遠(yuǎn)小于對(duì)二次諧波的影響。無(wú)論是低頻還是高頻，轉(zhuǎn)換器的性能相對(duì)于任何相位偏差都是平坦的。

圖6 無(wú)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?yàn)锳DC的奇數(shù)階非線(xiàn)性主要取決于轉(zhuǎn)換器對(duì)調(diào)整、校準(zhǔn)、設(shè)計(jì)或工藝限制的響應(yīng)。

圖7 諧波功率與頻率和相位偏移的關(guān)系說(shuō)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(yǔ)

上述測(cè)量進(jìn)一步證實(shí)，偶次階失真與平衡和對(duì)稱(chēng)有關(guān)。同時(shí)還表明，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)所述的性能，前端輸入網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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)。