高速模數轉換器的相位不平衡測

使用高速ADC(模數轉換器)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，或者評估這些器件以便用于設計時(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信號發(fā)生器和一個(gè)振蕩器組成的測試系統，來(lái)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動(dòng)錯相而變得不平衡時(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 測試設置

　　測試設置(如圖1所示)使用兩個(gè)RF信號發(fā)生器驅動(dòng)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(shí)間變化而發(fā)生的非預期漂移。每個(gè)信號發(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。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(gè)評估板。此外，分路器前應使用兩個(gè)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(lái)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(lèi)型并且長(cháng)度相同。從信號發(fā)生器到分路器的電纜長(cháng)度必須相同，這點(diǎn)很容易明白。分路器之后的電纜長(cháng)度(連接到ADC和示波器)容易忽略，也需要相同的長(cháng)度以保護測量結果。如果評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制相同長(cháng)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(cháng)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(xiàn)直接焊接到ADC的模擬輸入端，以便獲得正確的長(cháng)度匹配，但這種方法會(huì )增加ADC探測模擬輸入端的寄生電容和電感，引起測量波動(dòng)。適當的探頭結合電纜和分路器，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(wù)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(shí)監控各信號發(fā)生器，測試信號應保持穩定?？梢允褂檬静ㄆ鞯臄祵W(xué)功能來(lái)確保兩個(gè)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(shí)，信號A + 信號B應盡可能接近0 V。當然，隨著(zhù)信號偏離180°，信號幅度之和應增大，但無(wú)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(diǎn)(180°反相)，從該點(diǎn)開(kāi)始測試。

　　評估板需要一個(gè)干凈的時(shí)鐘信號。務(wù)必使用低相位噪聲的振蕩器或信號源，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(shí)鐘設置

　　當ADC的模擬輸入與示波器不同相時(shí)，兩個(gè)信號之間的差分幅度不匹配會(huì )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)監控測試頻率在所有相位變化下的基頻電平。對幅度進(jìn)行微調，確保ADC始終以相同的電平工作?；l功率的差異會(huì )導致結果不準確，說(shuō)明ADC由于相位和基頻功率變得不準確而表現不佳。

　　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。圖3a和圖3b分別突出顯示了當兩個(gè)輸入信號之間的相位差為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) 當兩個(gè)輸入信號之間的相位差偏移20° (b)時(shí)， 二次諧波(標記為“2”)的功率提高

2 測試程序

　　要開(kāi)始測試，請設置其中一個(gè)信號發(fā)生器產(chǎn)生相位偏移等于0°的信號，并設置另一個(gè)信號發(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，信號發(fā)生器不一定需要設置完全相同的幅度。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零，從而盡可能降低測量誤差。接下來(lái)，您可以讓一個(gè)信號發(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)測試過(guò)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置為-6 dBFS。設置基頻信號的功率后，應利用示波器的數學(xué)功能檢查兩個(gè)信號的相位和幅度。數學(xué)功能的峰峰值電平應盡可能接近0。一旦測量系統處于平衡狀態(tài)，就可以使用該點(diǎn)作為0°錯相參考起始點(diǎn)。

　　測試應包括保存+30°至-30°范圍(相對于信號相差180°時(shí)的參考點(diǎn))內每一度錯相的ADC二次和三次諧波性能。當兩個(gè)信號的相位差偏離180°時(shí)，載波信號的功率會(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(lái)確認信號幅度，在時(shí)域中顯示經(jīng)過(guò)任何調整之后的信號。一旦采集到30個(gè)數據點(diǎn)(1°偏移至30°偏移)，就可以設置信號發(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(diǎn)開(kāi)始的-1°至-30°偏移，重復上述程序。

　　在轉換器或其目標應用的有用帶寬內執行測量。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(shí)調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 測試結果

　　圖4顯示了從2 MHz到300 MHz輸入頻率的歸一化數據集合。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(zhù)頻率而提高。這些測量數據顯示的相對測量結果，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相位不平衡時(shí)的變化趨勢。

　　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

　　由于正向和負向的相位變化產(chǎn)生的結果相似，因此對正偏移和負偏移產(chǎn)生的諧波進(jìn)行平均，并且歸一化到零點(diǎn)。通過(guò)試驗可以看出，隨著(zhù)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(zhù)相位偏差增大，所有頻率的輸入信號(dB)都下降，表現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(gè)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(wú)論是低頻還是高頻，轉換器的性能相對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，就能明白轉換器的三次諧波性能與頻率相位偏差的關(guān)系不像二次