用超高纯度的正弦波振荡器测试18位ADC

作者：凌力尔特技术公司Jim Williams与Guy Hoover

对高分辨率ADC保真度有一种灵敏的测试，那就是忠实地数字化一个正弦波的能力。这个测试要求有一台残余失真接近1ppm(百万分之一)的正弦波发生器。另外，它还要求有一个计算机上运行的ADC输出监控器，用于读出并显示转换器输出的频谱分量。要以合理的成本和复杂性完成这个测试，就要在使用前验证其

部件的结构与性能。低失真振荡器通过一个放大器驱动ADC(图1)。ADC的输出接口对转换器的输出做格式化，并与计算机通信。计算机上运行频谱分析软件，并显示出计算的结果数据。



振荡器电路

系统的振荡器是电路中最难设计的部分。直觉上振荡器必须具有低的杂波水平，18位ADC的测量才能有意义。然后，还必须使用独立的方式，验证这些低杂波特性。



设计源于Winfield Hill的一项工作，他是哈佛大学罗兰学院电子工程实验室的主任。以后可以将此设计用于2kHz的Wien桥设计(图2)。所有放大器都以反相方式使用，这样可以消除信号路径中的CMRR(共模抑制比)误差。

低失真放大器A1和A2是本款振荡器中的有源元件。原设计中的JFET会带来传导调制误差，因此可以用一个LED驱动的CdS(硫化镉)光电隔离器代替它。然后将A2的输出与A3输入端的滤波DC偏移结合起来。A3反馈网络中的电容限制了放大器的带宽。这个2.6kHz滤波器的输出驱动待测ADC的输入放大器。



A1/A2振荡器需要AGC(自动增益控制)，因此，将电路的输出用交流耦合到一个高阻低噪声的JFET输入放大器A4，后者再馈至精密整流器A5。A5再驱动积分器A6。A6的直流输出表示了电路输出正弦波的交流幅度。

电流汇总电阻可以用于平衡针对凌力尔特技术公司LT1029 IC所产生基准电压的直流值。电流汇总电阻馈入AGC单电源放大器A7。这个放大器驱动Q1，设定LED的电流。LED电流封闭了增益控制回路，因为它最终改变了CdS芯的电阻，从而稳定振荡器的输出波幅。

通过获得电路输出的增益控制反馈，维持了输出的波幅，而与A3以及输出滤波器的衰减与带宽限制响应无关。这种拓扑结构还对放大器A7的闭环动态性能提出了要求。A3的带宽限制、输出滤波器、A6的滞后，以及连接到Q1基极的纹波抑制元件相互结合，产生了一个明显的相位延迟。可以在A7的主极上用一只1μF电容配合一个零值RC(电阻/电容)吸收这个延迟，以实现稳定的回路补偿。这种方法代替了经精细调整、有简单RC滚降响应的高阶输出滤波器，最大限度减小了失真，维持了输出波幅的恒定不变。

关键是要从LED偏移中消除与振荡器相关的信号分量，以维持低的失真。任何这类残留成分都会调制振荡器的波幅，从而引入不纯净的频率分量。带宽限制的AGC信号路径有很好的滤波。

Q1基极大的RC时间常数提供了一个陡峭滚降的最终响应。Q1的射极电流表明，10mA总电流中有大约1nA振荡器相关纹波，这小于0.1ppm (图3)。振荡器只需要一只100Ω电位器就能实现这个性能。这个调节符合图2中的说明，并确定了AGC捕捉区间的中点。

振荡器的失真

验证振荡器的失真需要复杂的测量技术。如果试图用传统的失真分析仪去测量，就会遇到一些限制，哪怕采用了高端机型。示波器可以用于显示分析仪输出端的残留失真(图4)。对于任何与振荡器有关的信号活动，放大器的本底背景都显示出微弱的噪声与不确定性。



惠普公司的HP-339A分析仪给出了18ppm的最小可测失真。图中显示仪器读数为9ppm，这超出了设备的规格，因此高度存疑。测得的失真等于或接近于设备极限时，会产生显著的不确定性，接近于设备极限的失真测量很难有令人满意的结果(参考文献1)。



要对振荡器失真做有意义的测量，就需要使用低不确定性本底的专用分析仪。Audio Precision公司的2722分析仪有最大2.5ppm的THD+N (总谐波失真+噪声)，典型THD+N为1.5ppm。该仪器对振荡器的THD做了三次测量，得出的THD值为：在3ppm、5.8ppm和2.4ppm时分别为 -110dB、-105dB和-112dB(图5)。这些测量结果为将该振荡器用于确定ADC保真度特性提供了信心。

ADC测试

在测试ADC时，将振荡器输出连接到ADC的输入放大器上。测量的是ADC与ADC输入放大器联合产生的失真。然后用一台计算机检查ADC的输出，它量化表示出了频谱误差的分量(图6)。





从凌力尔特技术公司网站上可以下载到用于测量的代码，并获得输入放大器、ADC、计算机数据采集，以及时钟电路板。相关部件包括：一只晶振、凌力尔特技术公司的LT6350放大器、LTC1279 ADC、DC718接口卡以及能够驱动50Ω的任何一种稳定的低相位噪声3.3V时钟。

计算机显示的内容包括时域的信息，给出了定位于转换器工作区间中心的偏移正弦波。它还显示了详细的列表读数，以及一个指示出频谱误差分量的傅里叶变换。待测的放大器/ADC组合产生-111 dB的二次谐波失真，大约为2.8 ppm。较高频的谐波远低于这个水平，表明ADC及其输入放大器都工作正常，并处于规格范围内。谐波抑制可能出现在振荡器与放大器/ADC组合之间，这就要求对放大器/ADC样品做多次测试，增加对测量的信心。