ADC双音测试：two tone test for ADC

本文是一篇介绍性文章，主要介绍ADC双音测试的一些概念及其仿真与测试。

目录

参考文献：

（1）MT-012

（2）AD9444 datasheet

（3）Low-IMD Two-Tone Signal Generation for ADC Testing

1、基本概念：

（1）IMD2 IMD3

IMD即为inter-modulation distortion。由信号与系统概念可知，当频率为f1和f2（f2>f1）的两个信号相加时，理论上vout=a1sin(2pif1+p1)+ a2sin(2pif2+p2)，但是由于非线性，会出现各种谐波，{2f1,2f2，3f1,3f2}…，还有一类称之为互调，频率为{f2-f1，f2+f1}（二阶互调），（2f1-f2，2f2-f1）（三阶互调），从一个简单的频谱图来看，如图1所示。

（2）IP2 IP3

IP2即为Second-order intercept point。对于一个线性器件（例如运放来说），其互调谐波的功率会随着输入信号的功率增加，而且IMD2的斜率为2dB/1dB，IMD3的斜率为3dB/1dB。显然，当输入功率较大时，由于运放的饱和，必然会偏离这个斜率。但是在输入幅度较小时，IMD2和IMD3的功率随着输入功率线性增长。如图2所示，将小幅度输入时的IMD2和IMD3曲线延长，即可得到IP2和IP3。

IP2/IP3的作用是什么呢？首先，如果两个运放，A运放的IP3是3dBm，B运放的IP3是1dBm，显然，A运放的线性度更优秀。IP3实质上可以作为一个FoM值，用以对比运放的优劣。

其次，从图2，假如你知道了IP3的值，由于IP3的斜率是固定的（3dB/1dB），那么给定输入信号的功率，即可计算出三阶互调项的功率值。

（3）互调概念在ADC中的扩展

首先要说明的是，互调失真往往在通信领域的高速ADC中被关注，低速（10MSPS以下）中不关注这个。

IMD2/IMD3可直接扩展到ADC的测试中，而且IMD3往往比IMD2更重要。由前面的描述可知，IMD2的频率往往和基波距离较远，容易被数字滤除；而IMD3和基波距离很近，因此难以被滤除。从具体的应用上来看，IMD3的存在会使得隔壁信道的IMD3落在本信道内，假如隔壁信道的互调失真较大而本信道的信号功率较小，则本信道的信号将被覆盖。

IP2/IP3的概念在ADC中失去了意义。这是因为一般设计良好的ADC（特指ADI/TI/Maxim等等），在信号幅度略低于满幅值时，谐波的功率是不变的。换句话说，他们的ADC在很大的输入范围内都能保持较低的谐波水平。其示意图如图3所示，可以看到以dBFs为单位定义的SFDR基本不随输入信号的幅度变化。国内ADC受限于工艺的非线性和设计水平，往往难以做到。

图3中，SFDR是无杂散动态范围。ADC单频测试时SFDR常以dBc的单位来表征，代表相对于主频（载波）的幅度；而在双音测试时，由于它实际上是关注某一频率附近信道对其临近信道的干扰情况，举个例子，A信道产生的IMD3对B信道进行影响，B信道的信号幅度是未知的，所以给出一个IMD3谐波的绝对功率dBm或者说相对于满幅输入的功率dBFs才是更有意义的。例如，8MHz时的多音测试SFDR值为-80dBFs，而要求的信噪比为大于20dB，那么8MHz附近信道载波的功率必须高于-60dBFs。

2、仿真

为了不让ADC饱和，输入的两个临近频率正弦幅值均要小于-6dB（0.5full scale），ADI的测试条件为-7dB。

在cadence中仿真，输入两个临近频率的正弦信号，其时域和频域结果如图4，频域的怪异特性由于仿真点数较少导致，实际测试时FFT点数较多，加上合适的窗函数后，即可得到合理的频谱图。

3、测试

ADC双音仿真时，信号源可以直接通过f1和f2串联得到，ADC测试时如何得到双音信号呢？传统的方法如图5所示，DSP+DAC即可产生指定的双音信号。

该方法最大的问题是DAC本身的非线性就会产生IMD3，所以测试结果会比ADC实际的性能低。参考文献3中提出了一些新的数字域算法，可以有效抑制三阶互调的产生。