测试设置
测试设置(图1)使用了两个RF信号发生器来驱动2MHz至300MHz频率范围内的ADC模拟输入。必须使信号发生器的参考相位彼此锁定，这样将有助于限制随时间变化而产生的非预期相位漂移。每个信号发生器的输出均流经一个连接到双路低损耗分路器的低通滤波器，使用分路器便于通过示波器来观察差分信号。各输入端应使用相同制造商和型号的低损耗分路器。为分析ADC，需要采用一个评估板。此外，在分路器之前应使用两个相同制造商和型号的低通滤波器或带通滤波器，以便限制来自信号发生器的宽带噪声。
图1：用于测量相位不平衡的测试设置
一致的模拟信号路径可以将测量误差降至最小。分路器前后的电缆应为同一类型电缆并且长度相同。从信号发生器到分路器的电缆长度必须相同，这点很容易明白。分路器之后的电缆长度(连接到ADC和示波器的电缆)易被忽略，它们也需要相同的长度以保护测量结果。如果评估板上具有从连接点到ADC引脚的走线，则从分路器到示波器也必须复制相同长度的走线。因此，考虑到走线差异，从分路器到示波器的电缆长度可能需要略有不同。同等的信号路径可确保在示波器上查看的信号能够准确地代表ADC模拟输入引脚上的信号。
推荐方法似乎应当是将示波器探头引线直接焊接到ADC的模拟输入端，以便获得正确的长度匹配，但这种方法会增加ADC探测模拟输入端的寄生电容和电感，从而引起测量波动。适当的探测结合电缆和分路器，可以将寄生电容和电感降至最低，从而在示波器上产生更干净的信号。
务必使用适当带宽的示波器，以便显示差分模拟输入测试频率。注意随时监控各信号发生器，测试信号应保持稳定。可以使用示波器的数学功能来确保两个信号具有正确的相位和幅度关系，即当差分输入180°反相时，信号A+信号B应尽可能接近0V。当然，随着信号偏离180°，信号幅度之和应当增大，但无论相位如何偏移，都应能够使用该信号。由此便可确定正确的相位参考点(180°反相)，从该点开始测试。
评估板需要一个干净的时钟信号。务必使用低相位噪声的振荡器或信号源，这样才不会限制ADC的性能。这里我们使用了ADI公司的250MHz Wenzel晶振和TTE 250 MHz带通滤波器。图2从左至右分别显示的是示波器、滤波器和高速ADC评估板。
图2：由示波器、低通滤波器和ADC评估板(从左至右)组成的采样时钟设置
当示波器上的ADC模拟输入产生相位差时，两个信号之间的差分幅度不匹配将会导致ADC输入信号的基频功率略微降低。应使用FFT(快速傅里叶变换)监控测试频率在所有相位变化下的基频电平。对幅度进行微调，以确保ADC始终以相同的电平工作。基频功率的差异会导致结果不准确，这说明ADC会由于相位和基频功率变得不准确而表现不佳。
图3显示了同一器件以相同频率工作，并使用ADI公司Visual Analog软件(可从
www.analog.com/fifo免费下载)获得的两个FFT读数。图3a和图3b分别突出显示了当两个输入信号之间的相位差为0°(图3a)和20°(图3b)时的基频幅度差异，图3b中的二次谐波功率有所提高。
图3：(a)当两个输入信号之间的相位差为0°时，二次谐波(标记为“2”)的功率较小；(b)当两个输入信号之间的相位差为20°时，二次谐波功率将会增加。
测试程序
要开始测试时，请设置其中一个信号发生器产生相位偏移为0°的信号，并设置另一个信号发生器使示波器显示两个相差180°的波形。设置的这两个波形幅度彼此接近，频率完全相同，使用示波器的数学功能(通道A+通道B)将得到一条基本上为0 V的平坦直线。请注意，由于发生器本身存在公差，信号发生器不一定被设置成完全相同的幅度。这里的任何差异都是由于信号发生器本身相对于频率的参考增益和相位误差引起的，因此，必须使用示波器将相位或幅度调零，从而尽可能地降低测量误差。接下来，可以让一个0°相位偏移下的信号发生器在+30°至–30°之间调节，同时另一个信号发生器的相位保持不变。
您需要选择某一基频功率，并在整个测试过程中维持此功率不变。本次试验中，我们将各信号发生器的基频信号功率设置为-6dBFS。设置好基频信号的功率后，应利用示波器的数学功能检查这两个信号的相位与幅度。数学功能的峰峰值电平应尽可能接近于0。一旦测量系统处于平衡状态，就可以用它来作为0°错相的参考起始点。
测试应包括保存+30°至–30°范围(相对于信号相差180°时的参考点)内每一度错相的ADC二次和三次谐波性能。当两个信号的相位差偏离180°时，载波信号的功率会像前面图3所示的那样下降。因此，需要利用两个信号发生器的输出幅度，使基频信号的功率水平保持不变。利用示波器来确认信号幅度，以在时域中显示经过任何调整后的信号。一旦采集到30个数据点(1°偏移至30°偏移)，就可以设置信号发生器的输出电平，使其信号再次相差180°，并通过重新调整幅度，确保不会发生任何未知的幅度或相位漂移。对于从0°参考点开始的–1°至–30°偏移，重复上述程序。
在转换器或其目标应用的有用带宽内进行测量。本次试验中，我们使用了2MHz、70MHz、170MHz和300MHz的输入频率，同时调整了分路器之前的滤波器带宽，以支持被测信号的合适带宽。
测试结果
图4显示了从2MHz到300MHz输入频率的标准化数据集合，低频对相位不平衡的耐受能力高于高频。此图显示谐波功率将随着频率的增加而增大。这些测量数据显示的相对测量结果，目的不在于说明ADC的真实性能，而是让您了解模拟输入信号相位不平衡时的变化趋势。
图4：低频时的二次谐波功率低于高频时的二次谐波功率
由于正向和负向的相位变化产生的结果相类似，因此，正偏移和负偏移产生的谐波进行平均和标准化后将达到零点。通过试验可以看出，随着频率升高，相位对器件的二次谐波性能有直接影响。
图5以地形图的形式显示了相位偏差、模拟输入频率和二次谐波性能之间的关系。随着相位偏差的增大，所有频率的输入信号(dB)都将下降，其表现为输入信号的二次谐波幅度增加。
图5：二次谐波功率与频率和相位偏差的关系
图6与图4相似，显示了每个频率下标准化输入信号的三次谐波性能。无论是低频还是高频，转换器的性能相对于任何相位偏差都较平坦。
图6：无论频率高低，三次谐波功率的差别不大
图7以地形图的形式显示了三次谐波的平均性能。只需查看刻度的差异，就能明白转换器的三次谐波性能与频率相位偏差之间的关系不像二次谐波那样密切，这是因为ADC的奇数阶非线性特性主要取决于转换器对调整、校准、设计或工艺限制的响应。
图7：谐波功率与频率和相位偏移的关系说明：功率增加是相位偏移的结果，而不是频率变化的结果
本文小结
上述测量进一步证实偶次阶失真与平衡和对称有关。同时还表明，为了实现数据手册所述的性能，前端输入网络设计需要确保ADC模拟输入引脚的模拟输入(通常表示为AIN+/-或VIN+/-)之间的相位偏差在±3~4°范围内。
位于转换器之前并连接到其模拟输入端的系统设计实现方案(无论是变压器、抗混叠滤波器还是放大器驱动电路)，都对ADC的性能影响非常大。只要这些电路的输出端提供的输入信号在连接到转换器时处于良好的平衡状态，就有望实现数据手册所述的性能。二次谐波不应成为系统动态范围的限制因素。
电缆不匹配的影响
在整个测量过程中保持设置相一致可大幅降低结果不一致的可能性。信号发生器、电缆长度、电缆类型、分路器和滤波器都应保持平衡，包括评估板到转换器之间略微增加的走线长度。图A和图B比较表明：不匹配可能导致轻微相移，产生不准确的测量结果。
图A：电缆不匹配可能导致相移随着信号频率而变化
图B：信号发生器的幅度差异也会产生频率相关的相移
除了要注意测试设置的细节之外，还必须始终如一地监控测量。例如，信号发生器的基频功率波动和轻微相位/幅度漂移也可能产生问题。利用示波器可以监测这些误差，因而应随时通过示波器来监控模拟输入信号。
作者：Rob Reeder
高速信号处理部
ADI公司