K波段直接數(shù)字化的高級(jí)寬帶采樣方案 ——擴(kuò)展射頻可能性的邊界

第一次動(dòng)態(tài)測(cè)試的結(jié)果

FEB的初始測(cè)試表現(xiàn)出波動(dòng)的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 （SFDR）響應(yīng)（圖3）。在不同的ADC信號(hào)滿刻度范圍 （SFSR）進(jìn)行兩次獨(dú)立的掃頻。掃頻覆蓋的信號(hào)頻率 超過30GHz。圖3放大了17GHz到25GHz的范圍。

圖3-基線FEB性能（SFDR從17到25GHz）

檢查初始結(jié)果

SFDR的特性有很大的分析價(jià)值，并為未來的動(dòng)態(tài)性能 提升提供了參考。從這些結(jié)果（圖3）可以看出：

?   低輸入信號(hào)功率的SFDR平坦度更好（圖3比較 了-7dBFS和-13dBFS的結(jié)果）

?   初始的實(shí)驗(yàn)配置難以實(shí)現(xiàn)我們預(yù)期的50dBc SFDR的目標(biāo)提高性能的第一步是找出限制SFDR的信號(hào)雜散。下圖 （圖4）標(biāo)出了輸入電平-7dBFS和-13dBFS時(shí)主要的雜 散，用dBFS表示。

圖 4 - 兩種信號(hào)功率的基線FEB性能 （SFDR從17到25GHz）

從上圖可以看出，對(duì)于不同的頻率范圍和輸入幅度，變化的雜散頻率分量可以看作SFDR波動(dòng)的原因，請(qǐng)參考圖中最大雜散的曲線。圖中也標(biāo)注了二次諧波（H2）和 三次諧波（H3）以及采樣時(shí)鐘（Fc/4）的影響。仔細(xì)觀察，您還會(huì)發(fā)現(xiàn)：

?   從最大雜散（深色曲線）可以看出，H2是最主要的影 響因素，特別是對(duì)于-7dBFS。

?   如果H2可以被改進(jìn)，下一個(gè)影響最大的因素顯然是Fc/4 性能，它對(duì)小信號(hào)曲線（-13dBFS）的影響很大。但是，對(duì)于上面兩種信號(hào)功率，F(xiàn)c/4限制SFDR大約在 58dBFS(在18GHz到22GHz之間）。如果不改進(jìn)這個(gè)問 題，很難進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)性能。Fc/4的問題表明多個(gè) ADC核心交織可能產(chǎn)生的一些問題。雜散信號(hào)的根源是 偏置不匹配。

?   通過優(yōu)化，-13dBFS的SFDR有可能達(dá)到50到60dBc之 間。

根據(jù)產(chǎn)品資料，唯一提升THA性能（通過降低H2）的方 法是降低輸入信號(hào)電平。這對(duì)SFDR受H2限制的場(chǎng)合很 有用，例如-7dBFS的SFSR時(shí)19.5GHz以下或21.5GHz以 上的范圍。

優(yōu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能

另一方面，ADC可提供默認(rèn)工作方式以外的多種自由的 配置。初始的測(cè)試表明核心交織的精度問題，這并不奇 怪。標(biāo)準(zhǔn)的交織校準(zhǔn)（ILG）是在工廠的產(chǎn)品測(cè)試時(shí)完成 的。顯然，它按照基帶工作優(yōu)化，并不適用于這種大帶 寬的應(yīng)用。

ADC交織的詳細(xì)測(cè)試表明，雜散的最大的來源是偏置不 匹配。我們測(cè)量了一系列頻率的偏置影響，通過仔細(xì)的 調(diào)整，大幅地降低了Fc/4雜散（圖5）。對(duì)于K波段的應(yīng) 用，21.5GHz的校準(zhǔn)得到了非常好的結(jié)果。

校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后系統(tǒng)的K波段性能如圖5所示。上面的曲 線是默認(rèn)設(shè)置（CalSet0）的結(jié)果，下面的曲線是改進(jìn)的 高頻校準(zhǔn)的結(jié)果。通過后者的校準(zhǔn)，偏置、增益和相位 不匹配都得到了補(bǔ)償。在整個(gè)K波段，系統(tǒng)的SFDR提高 了將近15dB，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

圖5 - 校準(zhǔn)ILG的影響

交織校準(zhǔn)之后對(duì)于某些頻點(diǎn)，H2較低而H3變成了主導(dǎo)因素，如圖4中 21GHz附近的點(diǎn)。在這種情況下，我們需要通過INL的校準(zhǔn)進(jìn)一步降低ADC的雜散。

圖6 - INL校準(zhǔn)對(duì)H3的影響

雖然進(jìn)一步提升性能的選項(xiàng)不多，但顯然ADC積分非線 性（INL）的性能會(huì)影響H3。和交織（ILG）類似，產(chǎn)品 測(cè)試時(shí)的INL校準(zhǔn)通常是針對(duì)基帶工作優(yōu)化的。Teledyne 的測(cè)試工程師認(rèn)為，如果針對(duì)高奈奎斯特域重新校準(zhǔn) INL，將進(jìn)一步改善動(dòng)態(tài)性能。 調(diào)整INL并不是用戶可以通過程序完成的工作，也不應(yīng)當(dāng) 是。這種調(diào)整極具挑戰(zhàn)性。從原理上說，提升理想轉(zhuǎn)換 器模型的INL有可行且有限的方法。工程師需要搭建測(cè)試 設(shè)備以實(shí)現(xiàn)這些調(diào)整方法。 通過盡可能降低高頻INL，我們把17到25GHz范圍里的 H3優(yōu)化了3到5dB（圖6）。

圖 7 - 校準(zhǔn)前和校準(zhǔn)后的K波段SFDR