ADC需要考慮的交調失真因素

簡(jiǎn)介

交調失真(IMD)是用于衡量放大器、增益模塊、混頻器和其他射頻元件線(xiàn)性度的一項常用指標。二階和三階交調截點(diǎn)(IP2和IP3)是這些規格參數的品質(zhì)因素，以其為基礎可以計算不同信號幅度下的失真積。雖然射頻工程師們非常熟悉這些規格參數，但當將其用于ADC時(shí)往往會(huì )產(chǎn)生一些困惑。本教程首先在ADC的框架下對交調失真進(jìn)行定義，然后指出將IP2和IP3的定義應用于ADC時(shí)必須采取的一些預防措施。

雙音交調失真(IMD)

測量雙音交調失真時(shí)，要將兩個(gè)頻譜純凈的正弦波在頻率f1和f2下應用于A(yíng)DC,這兩個(gè)頻率一般距離相對較近。將每個(gè)音的幅度設為比滿(mǎn)量程低，數值略微超過(guò)6 dB即可，以便兩個(gè)音相位增加時(shí)，ADC不會(huì )出現削波。二階和三階積的位置如圖1所示。請注意，二階積處于數字濾波器可以消除的頻率位置。然而，三階積2f2 – f1和2f1 – f2 接近原始信號，過(guò)濾的難度更大。除非另有說(shuō)明，雙音交調失真指這些"近距"三階積。交調失真積值一般以dBc為單位，相對于兩個(gè)原始音之一的值，而不是兩者之和。

圖1:二階和三階交調積其中，f1 = 5 MHz, f2 = 6 MHz

然而，請注意，如果兩個(gè)音接近fs/4,則基波的混疊三次諧波可能使2f2 – f1和2f1 – f2真實(shí)積的識別變得異常困難。其原因在于，fs/4 的三次諧波為3fs/4,而混疊出現在fs – 3fs/4 = fs/4頻率處。類(lèi)似地，如果兩個(gè)音接近fs/3,則混疊二次諧波可能會(huì )干擾測量。原理同上，fs/3的二次諧波為2fs/3,混疊出現在fs – 2fs/3 = fs/3處。

二階和三階交調截點(diǎn)(IP2, IP3)、1-dB 壓縮點(diǎn)

三階交調失真積在多通道通信系統中尤其麻煩，這種應用中，通道隔離在整個(gè)頻段保持不變。三階交調失真積在有大信號的情況下可能掩蓋住小信號。

在放大器、混頻器和其他射頻元件中，一般以三階交調截點(diǎn)(IP3)來(lái)表示三階交調失真積，如圖2所示。兩個(gè)頻譜純潔的音被應用于該系統。單音的輸出信號功率(單位：dBm)以及三階積的相對幅度(以一個(gè)單音為基準)表示為輸入信號功率的函數?；ū硎緸閳D中的slope = 1曲線(xiàn)。如果通過(guò)冪級數展開(kāi)逼近系統非線(xiàn)性度，則信號每增加1 dB,二階IMD (IMD2)幅度將增加2 dB,如圖中slope = 2 曲線(xiàn)所示。

類(lèi)似地，信號每增加1 dB,三階IMD (IMD3)幅度就增加3 dB,如圖中slope = 3 曲線(xiàn)所示。

在一個(gè)低電平雙音輸入信號和兩個(gè)數據點(diǎn)下，則可以繪制出二階和三階交調失真線(xiàn)，如圖2所示(其原理是，一個(gè)點(diǎn)和一個(gè)斜率定義一條直線(xiàn))。

然而，輸入信號一旦達到某種水平，輸出信號就會(huì )開(kāi)始軟限制或壓縮。這里一個(gè)相關(guān)參數是1 dB壓縮點(diǎn)。這就是輸出信號從一個(gè)理想的輸入/輸出傳遞函數壓縮1 dB的點(diǎn)。在圖2中，該點(diǎn)處于理想斜率= 1線(xiàn)變成虛線(xiàn)與實(shí)際響應表現出壓縮跡象(實(shí)線(xiàn))之間的區域中。

然而，二階和三階交調截線(xiàn)都可以延長(cháng)，與理想輸出信號線(xiàn)的延長(cháng)線(xiàn)(虛線(xiàn))相交。這些交點(diǎn)分別稱(chēng)為二階和三階交調截點(diǎn)，表示為IP2和IP3.這些功率電平值通常以傳導至一個(gè)匹配負載(通常但不一定為50 )的器件輸出功率為基準，表示為dBm.

應當注意，IP2、IP3和1 dB壓縮點(diǎn)都是頻率的函數，不出所料，頻率越高，失真越嚴重。

對于給定的頻率，在已知三階交調截點(diǎn)的情況下，可以計算出三階IMD積的近似電平值(為輸出信號電平的函數)。

圖2:交調截點(diǎn)的定義與放大器的1 dB壓縮

二階和三階交調截點(diǎn)的概念對ADC無(wú)效，因為，在這種情況下，失真積的變化不可預測(作為信號幅度的函數)。ADC并不是逐漸開(kāi)始壓縮接近滿(mǎn)量程的信號(不存在1 dB壓縮點(diǎn));一旦信號超過(guò)ADC輸入范圍，ADC就會(huì )充當硬限幅器，從而因削波而突然產(chǎn)生數量極大的失真。另一方面，對于遠遠低于滿(mǎn)量程的信號，失真底保持相對穩定，不受信號電平影響，如圖3所示。

圖3:數據轉換器的交調截點(diǎn)無(wú)實(shí)用價(jià)值。

圖3中的IMD曲線(xiàn)分為三個(gè)區域。對于低電平輸入信號，IMD積保持相對穩定，不受信號電平的影響。這就意味著(zhù)，當輸入信號增加1 dB時(shí)，該信號與IMD電平的比值也會(huì )增加1 dB.當輸入信號處于A(yíng)DC滿(mǎn)量程范圍的幾dB之內時(shí)，IMD可能開(kāi)始增加(但在設計優(yōu)良的ADC中可