AD轉(zhuǎn)換器的保真度測試技巧

引言
對正弦波進(jìn)行精確數(shù)字化的能力是高分辨率 A→D 轉(zhuǎn)換器保真度的一項(xiàng)敏感度測試。該測試需要一個具接近 1ppm 殘留失真分量的正弦波發(fā)生器。此外，還需要一個基于計算機(jī)的 A→D 輸出監(jiān)視器，用于讀取和顯示轉(zhuǎn)換器輸出頻譜成分。若想以合理的成本和復(fù)雜程度來實(shí)施此項(xiàng)測試，就必需進(jìn)行其元件的設(shè)計并在使用之前完成性能驗(yàn)證。

概要
圖 1 給出了系統(tǒng)的示意圖。一個低失真振蕩器通過一個放大器來驅(qū)動 A→D。A→D 輸出接口對轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行格式化，并與負(fù)責(zé)執(zhí)行頻譜分析軟件和顯示結(jié)果數(shù)據(jù)的計算機(jī)進(jìn)行通信。

振蕩器電路
振蕩器是系統(tǒng)中難度最大的電路設(shè)計部分。為了對 18 位 A→D 進(jìn)行有意義的測試，振蕩器的不純度必須超低，而且這些特性必須采用獨(dú)立的方法加以驗(yàn)證。圖 2 基本上是一款“全反相”2kHz 維氏 (Wien) 電橋設(shè)計 (A1-A2)，其在哈佛大學(xué) Winfield Hill 所做研究工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行。原始設(shè)計的 J-FET 增益控制被一個 LED 驅(qū)動的 CdS 光電管隔離器所替代，從而消除了由 J-FET 電導(dǎo)率調(diào)制引起的誤差，同時也就不必為最大限度地減少這些誤差而進(jìn)行微調(diào)。限帶的 A3 負(fù)責(zé)接收 A2 輸出和 DC 失調(diào)偏置，并通過一個 2.6kHz 濾波器提供輸出以驅(qū)動 A→D 輸入放大器。用于 A1-A2 振蕩器的自動增益控制 (AGC) 信號由負(fù)責(zé)給整流器 A5-A6 饋電的 AC 耦合 A4 從電路輸出 (“AGC 檢測”) 獲取。A6 的 DC 輸出表示電路輸出正弦波的 AC 幅度。利用終接至 AGC 放大器 A7 的電流求和電阻器來使該數(shù)值與 LT?1029 基準(zhǔn)保持平衡。驅(qū)動 Q1 的 A7 通過設(shè)定 LED 電流 (因而還包括 CdS 光電管電阻) 來閉合增益控制環(huán)路，從而穩(wěn)定振蕩器輸出的幅度。盡管這會衰減 A3 和輸出濾波器的帶限響應(yīng)，但從電路的輸出獲得增益控制反饋信息可保持輸出幅度。另外，它還對 A7 環(huán)路閉合動態(tài)特性提出了要求。確切地說，A3 的頻帶限制與輸出濾波器 A6 的滯后及紋波抑制組件 (在 Q1 的基極中) 相組合，可產(chǎn)生顯著的相位延遲。A7 上的一個 1μF 主極點(diǎn)和一個 RC 零點(diǎn)一起提供了該延遲，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的環(huán)路補(bǔ)償。這種方法用簡單的 RC 滾降濾波器取代了嚴(yán)密調(diào)諧的高階輸出濾波器，從而在保持輸出幅度的同時最大限度地降低了失真1。

從 LED 偏置中消除與振蕩器有關(guān)的分量是保持低失真的關(guān)鍵。任何此類殘留噪聲都將調(diào)整振蕩器的幅度，因而引入不純分量。對帶限 AGC 信號正向通路實(shí)施了很好的濾波，而且 Q1 基極中的大 RC 常數(shù)提供了最終的陡峭滾降。如圖 3 (Q1 的發(fā)射極電流) 所示，振蕩器相關(guān)紋波在 10mA 的總電流中約為 1nA (小于 0.1ppm)。

振蕩器僅通過一次微調(diào)便實(shí)現(xiàn)了其性能。該調(diào)整 (其確定了 AGC 捕獲范圍的中心) 是按照原理圖注釋設(shè)定的。

驗(yàn)證振蕩器失真
驗(yàn)證振蕩器失真需要采用精細(xì)的測量方法。嘗試采用傳統(tǒng)失真分析儀 (甚至是高級型分析儀) 來測量失真會遭遇局限性。圖 4 示出了振蕩器輸出 (掃跡 A) 及其在分析儀輸出端上的殘留失真指示 (掃跡 B)。在分析儀的噪聲層和不確定性層中，振蕩器相關(guān)動作的輪廓描繪是模糊不清的。測試中使用的 HP-339A 規(guī)定了一個 18ppm 的最小可測量失真；這張照片在拍攝時儀器的指示為 9ppm。這超過了規(guī)格指標(biāo)而且非?？梢桑?yàn)樵跍y量失真時如果達(dá)到或接近了設(shè)備的性能極限，就會帶來顯著的不確定性2。假如要對振蕩器失真進(jìn)行有意義的測量，則必需使用不確定層非常低和精致的專業(yè)型分析儀。規(guī)定了 2.5ppm 總諧波失真 + 噪聲 (THD + N) 限值 (典型值為 1.5ppm) 的 Audio Precision 2722 提供了圖 5 中的數(shù)據(jù)。如該圖所示，總諧波失真 (THD) 為 -110dB，即大約 3ppm。圖 6 (使用相同的儀器獲得) 示出的 THD + N 為 105dB，即 5.8ppm 左右。在圖 7 所示的最終測試中，分析儀確定了振蕩器的頻譜成分 (以三次諧波為主導(dǎo)，位于 -112dB，即大約 2.4ppm)。這些測量值使人們有信心把該振蕩器應(yīng)用于 A→D 保真度特性分析中。

A→D 測試
A→D 測試通過其輸入放大器將振蕩器輸出發(fā)送至 A→D。此項(xiàng)測試測量了由輸入放大器 / A→D 組合所產(chǎn)生的失真分量。A→D 輸出由計算機(jī)來檢查，計算機(jī)將以定量的方式把頻譜誤差分量指示在圖 8 的顯示界面中3。該顯示界面包含了時域信息 (其示出了集中于轉(zhuǎn)換器工作范圍內(nèi)的偏置正弦波)、一個富里葉變換 (指示了頻譜誤差分量) 和詳細(xì)的表列讀數(shù)。被測試的 LTC?2379 18 位 A→D / LT6350 放大器組合產(chǎn)生了 -111dB (約 2.8ppm) 的二次諧波失真，而較高頻率的諧波則遠(yuǎn)低于該水平。這表明 A→D 及其輸入放大器處于正確的運(yùn)作狀態(tài)和規(guī)格范圍之內(nèi)。要想實(shí)現(xiàn)振蕩器與放大器 / A→D之間的諧波消除，則必需測試多個放大器 / A→D 樣本以增加測量的置信度4。

注 1：這有點(diǎn)類似于使食物通過絞肉機(jī)來制作濃湯。

注 2：在或接近設(shè)備性能限制的條件下進(jìn)行的失真測量充滿了令人不快的驚訝。請參見《LTC 應(yīng)用指南 43》 “橋式電路” (Bridge Circuit) 附錄 D “了解失真測量”(Understanding Distortion Measurements)，作者是 Audio Precision 公司的 Bruce Hofer。

注 3：凌力爾特提供了測試所必需的輸入放大器 / A→D 轉(zhuǎn)換器、計算機(jī)數(shù)據(jù)采集和時鐘電路板。軟件代碼可登錄 www.linear.com.cn 網(wǎng)站下載。詳情請見附錄 A “用于A→D 保真度測試的工具”。

注 4：相關(guān)注釋請仔細(xì)研究正文部分中的“驗(yàn)證振蕩器失真”和腳注 2。

附錄 A

用于 A→D 保真度測試的工具

可提供用于實(shí)施正文所述之 A→D 測試的電路板。表 1 列出了電路板功能及其產(chǎn)品型號。另外，計算機(jī)軟件 PScopeTM 也可從凌力爾特獲取或訪問 www.linear.com.cn 網(wǎng)站下載。

表 1

* 可以使用任何能夠驅(qū)動 50Ω 負(fù)載的穩(wěn)定、低相位噪聲 3.3V 時鐘。