（微电子学与固体电子学专业论文）高速高精度adc测试技术研究.pdf

摘要 摘要 随着当今电子信息技术的迅猛发展，作为数字与模拟接口电路的模数转换器 也在朝向高速高精度的方向不断发展。伴随这一趋势的是对其测试方法和测试手 段越来越高的要求。由于其高速高精度的特点，在实际的应用中，能影响其性能 的因素也比能影响普通模数转换器的更多，诸如驱动、时钟、接地、旁路和电源 部分中的任何故障都将会导致其性能参数的严重降低，从而使测试也变得更加困 难；同时也由于当前国外发达国家对中国实行了高速高精度a d c 的出口许可证限 制制度( 对于8 位的a d c ，速度限制在5 0 0 m h z 以内；对于1 0 位的a d c ，速度限制在 2 0 0 m h z 以下；而对于1 2 位的a d c ，速度会被限制的更加严格) ，使获取先进的测 试技术变得非常困难。因此，有效研究和探索高速高精度a d c 测试技术具有十分 重要的现实意义。 本文通过选取高速高精度a d c 的样片_ t i 公司生产的1 0 b i t ，4 0 m s p s 流水线结 构a d ca d s 8 2 2 ，以此为基础，参考国外的评估板设计经验，详细研究板上各种元 器件之间的匹配关系，从而选取和购买了各种所需的扳上元器件，并使用相关软 件绘制出了评估板原理图，再进一步研究了高速p c b 板设计所要考虑的各种问题， 通过采用合适的布层布局布线，最终设计并制作出了高性能的a d s 8 2 2 的评估板， 最后利用实验室现有设备搭建了a d c 测试平台，通过制定有效的测试方案，对 a d s 8 2 2 的性能进行了测试和评估，从而研究和探索了一条高速高精度a d c 测试技 术的有效途径。主要内容和结果包括以下四个方面。 1 系统阐述了a d c 的基本性能参数和主要的测试方法，分别包括典型的静态 指标和动态指标以及针对静态指标的码密度直方图测试法和针对动态指标测试的 快速傅氏变换法。 2 确定了a d c 评估板上各基本电路模块的组成，研究了各主要模块如驱动电 路以及时钟电路等与a d c 之间性能指标的相互匹配关系，确定了测试a d s 8 2 2 所要 求的各种主要模块应达到的基本指标，并以此为依据，选取了板上各种所需的元 器件，并绘制了a d s 8 2 2 评估板原理图。 3 基于高速电路板设计的基本理论，充分考虑到信号完整性( s d 、电源完整 性( p i ) 和电磁完整性( e m i ) 的要求，对a d s 8 2 2 评估板的布层布局布线进行了较为详 细的研究，并以此为依据设计、制作和焊装了四层a d s 8 2 2 评估板。 摘要 4 确定t a d c n 试系统各组成模块以及各模块应满足的基本性能指标，并利 用学校现有的实验设备搭建- j a d c ；次i j 试系统，制定出测试方案，对a d s 8 2 2 的性能 进行了基本的评估。 实验结果证明通过设计评估板和搭建测试系统来对a d c 进行测试的思路完全 可行。 关键词：高速高精度模数转换器，评估板，测试 i i a b s t r a ( t a b s t r a c t w i t ht o d a y se l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p i n gr a p i d l y , a d c s ，a s d i g i t a la n da n a l o gi n t e r f a c ec i r c u i t ，a r ea l s og e t t i n gc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n tt o w a r d st h e d i r e c t i o no fh i g h s p e e dh i 曲- p r e c i s i o n t h i st r e n di s a c c o m p a n i e dw i t ht h eg r o w i n g d e m a n d sf o ri t s t e s t i n g m e t h o d sa n dm e a n s a sar e s u l to fi t s h i g h s p e e d h i g h - p r e c i s i o n sc h a r a c t e r i s t i c s ，i nt h ea c t u a la p p l i c a t i o n ，t h ef a c t o r ss u c ha sd r i v i n g 、 c l o c k 、g r o u n d i n g 、b y p a s sa n dp o w e rw i l ll e a dt oam o r es e r i o u sl o w e r i n go ft h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r st h a nt ot h ec o l n l t l o na d c s ，t h e r e b ym a k i n gi t se v a l u a t i o n b e c o m em o r ed i f f i c u l t s i m u l t a n e o u s l yb e c a u s et h eo v e r s e a sd e v e l o p e dc o u n t r i e sh a v e b e e nk e e p i n gt oc h i n ai m p l e m e n t i n gh i g h - s p e e dh i g h - p r e c i s i o na d cr e s t r i c t i o n so nt h e e x p o r tl i c e n c es y s t e m ( f o ra d c so fe i g h tb i t s ，s p e e dl i m i t e dt ol e s st h a n5 0 0m h z ；f o r 10b i t so n e s ，s p e e dl e s st h a n2 0 0 v i h z ；a n dm o r eb i t s ，m o r es t r i c t l yw i l lb et h es p e e d l i m i t e d ) ，s oi ti sq u i t ed i f f i c u l tt oa c c e s st h ea d v a n c e da d ct e s tt e c h n o l o g y t h e r e f o r e ， t h ee f f e c t i v er e s e a r c ha n de x p l o r a t i o no fh i g h p r e c i s i o nh i g h s p e e da d ct e s t i n g t e c h n o l o g yi so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b ys e l e c t i n gt h eh i g h s p e e dh i g h - p r e c i s i o na d cs a m p l i n g t ic o m p a n y s10b i t ， 4 0 m s p sp i p e l i n ea d ca d s 8 2 2 ，r e f e r r i n gt of o r e i g na d ce v a l u a t i o nb o a r dd e s i g n e x p e r i e n c e ，m a k i n gac a r e f u ls t u d yo ft h em a t c h i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n tp a r t s ， a v a r i e t yo fc o m p o n e n t sr e q u i r e df o rt h ee v a l u a t i o nb o a r dw e r es e l e c t e da n dt h e p u r c h a s e dw i t he v a l u a t i o nb o a r ds c h e m a t i c sm a p p e do u ta tt h es a n l et i m e a f t e ra d e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h ev a r i o u si s s u e sw h i c hs h o u l db ec o n s i d e r e di nh i g h s p e e dp c b d e s i g n ，a n dt h r o u g ht h eu s eo ft h ea p p r o p r i a t ep l a c ea n dr o u t e ，t h el a y o u td i a g r a mo f a d $ 8 2 2e v a l u a t i o nb o a r dw a sd r a w na n dt h ep r o t o t y p eb o a r dw a sf a b r i c a t e dw i t ha l l c o m p o n e n tw e l d e do ni tl a t e r f i n a l l yb a s e do nt h ed e s i g n e da d s 8 2 2e v a l u a t i o nb o a r d a n dt h ee x i s t i n gl a b o r a t o r ye q u i p m e n t ，aa d ct e s tp l a t f o r mw a sb u i l tt oe v a l u a t i o nc h i p p e r f o r m a n c e t h e nb yd e v e l o p i n gt h et e s tp l a n , t h ec h i pt e s th a sb e e nc a r r i e do n b y a b o v e ，t h u sae f f e c t i v ew a yf o rh i g h - p r e c i s i o nh i 曲- s p e e da d c t e s t i n gt e c h n o l o g yh a s b e e ne x p l o r e da n ds t u d i e d m a i nc o n t e n ta n dr e s u l t si n c l u d et h ef o l l o w i n gf o u ra s p e c t s u i a b s t r a c t 1 ad e t a i l e dd e s c r i p t i o na b o u tt h ea d c sb a s i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt h e m a i nt e s t i n gm e t h o d sw a sg i v e nr e s p e c t i v e l y , i n c l u d i n gt h et y p i c a ls t a t i ca n dd y n a m i c p a r a m e t e r s ，a c c o m p a n i e dw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gd e n s i t yh i s t o g r a mt e s t i n gm e t h o da n d t h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r mt e s tm e t h o d 2 t h eb a s i cc i r c u i tc o m p o s i t i o nm o d u l eo fa l la d ce v a l u a t i o nb o a r dw a s i d e n t i f i e d t h em u t u a lm a t c hr e l a t i o n sf o re a c hm a i nm o d u l el i k ed r i v i n gc i r c u i t ，t h e c l o c kc i r c u i tw i t ha d cu n d e rt e s tw a sa n a l y z e d ，t h e na c c o r d i n gt o t h a t ，p r i m a r y c o m p o n e n t sa n dd e v i c e sw e r es e l e c t e dw i t ha d s 8 2 2e v a l u a t i o nb o a r ds c h e m a t i c d i a g r a mb e i n gd r a w nu s i n gp r o t e l l 9 9 s e 3 a f t e rt a k i n gf u l l yi n t oa c c o u n ts i g n a li n t e g r i t y ( s i ) ，p o w e ri n t e g r i t y ( p i ) a n dt h e i n t e g r i t yo ft h ee l e c t r o m a g n e t i c ( e m i ) r e q u i r e m e n t s ，ad e t a i l e dr e s e a r c hw a sc a r r i e do n t h ep l a c ea n dr o u t eo f a d ce v a l u a t i o nb o a r d t h e nb a s e do nt h a t ，af o u r - s t o r e ya d s 8 2 2 e v a l u a t i o nb o a r dw a s d e s i g n e d 、f a b r i c a t e da n dw e l d e d 4 t h eb a s i cc o m p o s i t i o nm o d u l eo fa na d ce v a l u a t i o ns y s t e mw a si d e n t i f i e dw i t h r e s p e c t i v ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sb e i n gs h o w n a na d c t e s ts y s t e mh a sb e e nb u i l t u s i n gt h ee x i s t i n gl a b o r a t o r yt e s ti n s t a l l a t i o n t h ee v a l u a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei d e at h r o u g ht h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no f a d ce v a l u a t i o nb o a r da n dt e s ts y s t e mf o rh i g h - s p e e dh i g h - p r e c i s i o na d ct e s ti s e n t i r e l yf e a s i b l e k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dh i g h - p r e c i s i o na n a l o g - d i g i t a lc o n v e r t e r ，e v a l u a t i o nb o a r d ， t e s t i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：烫趁日期：g 年厂月p 曰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑盏导师签名 日期：妇渗年年月文莎日 第一章引言 1 1 研究意义 第一章引言 随着电子技术的迅速发展以及计算机在世界上的广泛应用，人们越来越多的 利用数字系统处理模拟信号，由于数字系统所能处理和传送的都是不连续的数字 信号，需经过模数转换将现实中的模拟信号量变成数字信号进行处理和控制，因 而作为把模拟电量转换成数字量输出的接口电路a d 转换器成为现实世界与数字 世界的桥梁，同时也成为是电子技术发展的关键和瓶颈所在，常常决定了系统的 性能。 目前来自于技术与市场的强大推动力，一方面使模数转换电路得到越来越广 泛的应用，诸如软件无线电、雷达、数字通信、测控、遥感、仪器仪表、超声波 成等众多领域都可见其身影；另一方面，也使模数转换电路不断向高速、高精度 的方向飞速发展。据报道，2 0 0 7 年德州仪器公司已有综合性能高达1 4 位4 0 0 m s p s 的流水线a d ca d s 5 4 7 4 投入商业化应用中【1 1 。 伴随高速高精度a d c 的出现的是对其测试方法和测试手段的更高的要求。由 于其高速高精度的特点，在实际的应用中，能影响其性能的因素也比能影响普通 模数转换器的更多，诸如驱动、时钟、接地、旁路和电源部分中的任何故障都将 会导致其性能参数的严重降低，从而也使测试也变得更加困难，但是由于测试结 果是系统性能评估的重要依据，因而现阶段对高速高精度a d c 测试技术的研究有 着非常重要现实意义。 1 2 国内外研究现状与进展 据现有报到的文献来看，国内a d c 测试方法与理论的研究主要见于电子科技 大学和东南大学。 电子科技大学关于a d c 测试方面的研究 2 3 】主要是对已有的测试理论与方法 的修正与改进，针对的是几个具体的动态指标，实际测试则是基于电子部2 4 所购 买的l t x 公司的s y n c h r o i i a c 测试系统。 东南大学关于a d c 测试方面的研究则是主要针对目前国际上比较流行的 电子科技大学硕士学位论文 a d c 内建自测试【4 】，它通过将测试电路集成在a d c 芯片内，希望达到降低测试成 本的目的，但是由于技术的不成熟，目前这种方法尚停留在理论研究阶段，功能 也只限于a d c 简单的d n l 和i n l 的测试，不能够大规模的实际应用。 国外关于a d c 测试方面的报道则比较多，反映了国外对这一领域研究的重视。 目前，国际上已出现a d c 测试方面的技术标准i e e es t d1 2 4 1 2 0 0 0 5 1 ，它作为消 费者和制造商之间的通用技术语言对a d c 的术语和测试方法进行了描述，从而可 以为a d c 测试提供了更多的参考。 同时，国外关于a d c 测试的新方法也在不断被提出。除了基于内建自测试【6 】 的a d c 测试方法外，尚有使用基于f f t 外其它的信号处理方法进行测试研究，例 如通过小波变换【7 】和w a l s h 变换【8 】化对a d c 输出数字进行处理等，目前也只是停 留在理论阶段；通过观察a d c 的静态和动态指标的测试结果，研究其两者之间的联 系【9 】，只用一种测试方法就试图得到所有的性能指标，从而节省测试时间和成本， 实验结果证明其难以实现。除此之外，大部分的研究工作是针对已有的测试方法 和测试环境进行改进，以提高测试的精度和可信性。目前这些研究大部分停留在 实验阶段，尚未获得广泛的应用。 a d c 已有的测试的方法【l 5 】也是种类繁多，针对不同的指标的有不同的测试 方法，常见的有三类，即正弦波适配法，快速傅立叶变换法，和码密度直方图法。 正弦波适配法据报道对测试e n o b 比较有效，但适用范围窄；快速傅式变换法( 即 f f t 法) 是基于频域分析主要针对动态指标的测试方法，使用过程中，会发生泄露 的现象，从而影响测试的精度；直方图测试法是基于时域的统计测试方法，主要 针对静态指标的测试，它的缺点在于对于高速高精度的a d c 的测试，可能需要进 行大量的采样和较长的测试时间。目前尚还没有单一的测试方法能够有效测试出 所有的a d c 参数。故需基于a d c 测试成本和效率的前提，根据a d c 典型应用的 环境，选取一些关键指标和有效的测试方法，而制定合理的测试方案。 就测试激励而言，由于正弦波在时域和频域内均能进行数学上的精确定义， 能够达到很高的线性度，因此逐渐取代其它输入波形如斜坡波形和三角波形而成 为通用的激励方式。 就测试装置而言，伴随个人p c 性能的提高和成本的降低，基于数字信号处理 的测试已经成为当今业界a d c 测试的通用办法。它是通过数学软件对a d c 输出 数据进行某种类型的数字分析来进行的，基本流程为：波形发生器产生输出波形， a d c 对输入波形进行转换，对转换后的数字代码进行存储，将存储的数据通过使 用d s p 或者个人p c 上的数学软件进行具体的分析，最终得到相应的测试结果。 第一章引言 就测试方法而言，伴随a d c 采样率的提高，输入参考噪声也越来越大，由于 直方图测试原理本身允许忽略噪声影响的特点使其特别适合高速高精度a d c 的静 态测试；a d c 的动态测试方法主要是采用快速傅式变换法，它能够较全面地反映 a d c 的动态特性。相对于其它动态测试方法而言，f f t 测试法所需的测试点数相 对较少，测试所需时间短，功能强大且容易实现；此外，两者均是基于d s p 的测 试方法，可以共用一套测试硬件，特别有利于减少测试成本，方便测试方案的制 定。这两种测试方法业已分别成为业界通用的a d c 静态和动态测试方法。 目前在业界，国外大的a d c 设计公司如t i 、a d i 、m a x i m 、n s 等，在销售 a d c 芯片的同时都会提供相应型号的评估板和分析软件，以供用户自行搭建测试 系统，测试a d c 的实际性能。但是由于目前美国对中国实行了高速高精度a d c 的出口许可证限制制度( 对于8 位的a d c ，速度限制在5 0 0 m h z 以内；对于1 0 位 的a d c ，速度限制在2 0 0 m h z 以下；而对于1 2 位的a d c ，速度会被限制的更加 严格) ，导致a d c 的测试系统同时被限制。因此，必须借鉴国外的经验并积极探 索自己的高速高精度a d c 测试技术的道路。 1 3 论文的主要内容 本论文分为七章： 第一章：简述论文研究的背景和当今a d c 测试技术的发展现状，在此基础上 提出课题的目的和意义。 第二章：阐述了a d c 测试所需的典型的静态和动态参数指标，以及对应的两 种基本测试方法。 第三章：详述了a d s 8 2 2 评估板原理设计。首先讲述了a d c 评估板的基本组 成和各个模块的功能；其次从建立时间、开环增益、带宽、噪声等角度详细阐述 了使用o p a 6 9 0 驱动a d s 8 2 2 的原理设计；接着简要叙述了使用t h s 4 5 0 1 全差分 运放驱动a d s 8 2 2 的原理设计；最后给出了a d s 8 2 2 评估板设计的原理图。 第四章：详述了a d s 8 2 2 评估板布板设计。首先介绍高速p c b 板设计中信号 完整性、电源完整性和电磁完整性的基本概念，指出了解决这些问题的关键，以 及在a d s 8 2 2 评估板设计时具体应用的解决办法：其次是从同时降低噪声和e m i 的综合角度考虑下，阐述了如何进行去耦设计、a d c 输出端减噪设计和如何正确 的进行p c b 板的布层。接着依据前面的要求，详细阐述了高速混合信号在布层布 局布线所要注意的事项，并给出了a d s 8 2 2 四层评估板的实际布局布线图；最后 电子科技大学硕士学位论文 给出了a d s 8 2 2 评估板的材料清单，并简要说明了元器件选取时的考虑。 第五章：详述了a d c 测试系统的结构。首先给出了测试系统的各个组成模块、 功能、指标和总的工作流程；其次重点阐述了时钟模块的设计理论及其在a d s 8 2 2 评估板中的具体应用；接着介绍了目前实验室可用的仪器设备及其基本性能；然 后阐述了在实际测试中，对直方图测试和f f t 测试各自需要的采样点数的要求； 最后简要介绍在a d s 8 2 2 设计中，实验室设备对前端原理设计和元器件选择的影 响。 第六章：详述了实际测试过程。首先阐述了a d s 8 2 2 的测试方案；其次给出 了a d s 8 2 2 的实际测试结果。 第七章：总结全文，并提出具体改进的意见。 4 第二章a d c 基本指标和测试方法 第二章a d c 基本指标和测试方法 2 1a d c 基本指标 传统半导体器件的测试只包括基本参数测试和功能测试，混合信号器件测试 与之相比还需要增加两种测试，即线性测试和动态测试。与此对应的分别是a d c 时域下的静态指标和频域下的动态指标。下面将对这两种指标分别加以说明。 2 1 1 静态指标 静态指标描述的是器件的内在特性，和器件内部电路的误差相关。对a d c 来 说，这些内部误差包括器件的增益、偏移、积分非线性( i n ”和微分非线性( d n l ) 误差，主要关注具体电平与相应数字代码之间的关系，说明静止的模拟信号转换 成数字信号的直流精确度。 2 1 1 1 量化误差 量化误差( q u a n t i z a t i o ne r r o r ) 是由于a d c 有限分辩率而引起的误差，表示实际 a d c 的转移特性曲线与理想a d c 的转移特性曲线之间的最大偏差。它属于基本 误差，通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为i l s b 、1 2 l s b 。 2 1 1 2 偏移误差、增益误差、满刻度误差 偏移误差( o f f s e te r r o r ) 定义为输入信号为零时输出信号不为零的值，偏移误差 会使实际的传递函数与理想传递函数间存在一个固定的偏移。 增益误差( g a i ne 玎0 r ) 是用来描述转移函数的非理想斜率以及偏移误差为零 时，最大编码的变换点会出现在什么位置，通常在模数转换器最末或最后一个传 输代码转换点计算。 满刻度误差( f u ns c a l ee 仃o r ) 定义为漂移误差为0 时，最大输出码的实际转换 点和理想转换点之间的差值。满刻度误差包含实际和理想转移函数之间的增益误 差和偏移误差。 偏移误差和增益误差均可通过外接电位器或者修正a d c 的输出码的方法来调 至最小。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1 3 微分非线性 理想a d c 每个码宽都应该相同，但实际上，相邻两刻度之间的间距不可能都 是相等的，故将a d c 相邻两刻度之间最大的差异就叫微分非线性，也称为差分菲 线性( d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y ，d n l ) 。 差分非线性误差可由下列方程式计算 d n l ：监! 二塑一l ( 2 1 ) 2 1 1 4 积分非线性 积分非线性( i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ，r n l ) 表示为a d c 器件在所有的数值点上对 应的模拟值和真实值之间误差最大的那一点的误差值，也就是输出数值偏离线性 最大的距离。 i n l 是d n l 误差的数学积分，即一个具有良好1 n l 的a d c 保证有良好的 d n l 。 1 n l , , = 啦 ( 2 - 2 ) i = 0 积分非线性误差可从实际转移函数与直线转移函数之间的差异看出。 总之，微分非线性和积分非线性都是描述代码转换与理想状态之间的差异。 微分非线性主要是实际代码步距与理论代码步距之差，而积分非线性则关注所有 代码非线性误差的累计效应。对一个a d c 来说，一段范围的输入电压产生一个给 定输出代码，微分非线性误差为正时输入电压范围比理想的大，微分非线性误差 为负时输入电压范围比理想的要小。从整个输出代码来看，每个输入电压代码步 距差异累积起来以后和理想值相比会产生一个总差异，这个差异就是积分非线性 误差。 这里还需要指出的是：a d c 的精度和分辨率也是两个不同的概念。精度是指 转换器实际值与理论值之间的偏差；分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最 小变化值。a d c 分辨率的高低取决于位数的多少。一般来讲，分辨率越高，精度 也越高，但是影响转换器精度的因素很多，分辨率高的a d c ，并不一定具有较高 的精度。精度是偏移误差、增益误差、积分线性误差、微分线性误差、温度漂移 等综合因素引起的总误差。因量化误差是模拟输入量在量化取整过程中引起的， 因此，分辨率会直接影响量化误差的大小，量化误差是一种原理性误差，只与分 6 第二章a d c 基本指标和测试方法 辨率有关，与信号的幅度，采样速率无关，它只能减小而无法完全消除，只能使 其控制在一定的范围之内。 2 1 2 动态指标 动态指标描述的是器件采样和重现时序变化信号的能力，关注交流条件下的 性能表现。主要包括信噪比( s n r ) 、无杂散动态范围( s f d r ) 、总谐波失真( t h d ) 、 噪声和失真总和之比( s 烈a d ) 以及有效位数( e n o b ) 等。这些指标都是通过对a d c 输出码的快速傅氏变换算法而得来的。 2 1 2 1 信噪比 信噪l 匕( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 指的是a d c 满量程单频理想正弦波输入信 号的有效值与a d c 输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率分量( 不包括直流 和谐波分量) 的总有效值之比。它是定义器件内部噪声大小的基本参数。 对于特定分辨率的模数转换器，它在理论上的最佳s n r 是由量化噪声所限制， 可由下式来计算： s n r = 6 0 2 n + 1 7 6 ( d b )( 2 3 ) 这里n 代表位数。 可能造成s n r 降低的因素包括：量化噪声、热噪声、1 f 噪声和采样时钟的抖 动( j i t t e r ) 等。 实际过程中，s n r 的测量是通过a d c 输出的频谱图进行的，s n r 指的是信 号峰值到噪声底部的差值，但在此外还要加上一个系数来调整用于产生频谱的采 样个数，如公式 斓( 彩) = s i g n 口l _ p e 口k ( d b ) 一n o i s e _ f l o o r ( 如) 一1 0 1 9n ( 2 - 4 ) 其中n 是采样点数，上述公式的最后一项是用来修正快速傅立叶变换计算频 谱时引入的误差。可以这样理解，为了进行n 点的f f t 变化，需要对信号采样n 个点，这使傅立叶变换计算信号的功率增加了n 2 倍，也是噪声的功率增加了n 倍， 所以信号功率与噪声功率的比值增加了n 倍，当用d b 方法来表示信噪比时就需要 减去1 0 1 9 n 。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 2 无杂散动态范围 无杂散动态范r e ( s p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g e ，s f d r ) 能对系统失真进行量化， 它是基本频率与杂波信号最大值的数量差。杂波通常产生于各谐波中，它表示器 件输入和输出之间的非线性。偶次谐波中的杂波表示传递函数非对称失真，一个 给定的输入信号应该产生一个给定的输出，但由于系统非线性，实际输出并不等 于预期值，当系统接收到大小相等极性相反的信号时，得到的两个输出不相等， 这里的非线性就是非对称的。奇次谐波中的杂波表示系统传递函数的对称非线性， 即给定的输入产生的输出失真对正负输入信号在数量上都是相等的。 2 1 2 3 总谐波失真 总谐波失真( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 是输入信号与系统所有谐波的总 功率比，它可提供系统对称和非对称非线性产生的总失真大小，用以表达其对信 号的谐波含量的作用或者影响。 2 1 2 4 信号与噪声失真比 信号与噪声失真l 匕( s i g n a ! t on o i s ea n dd i s t o r t i o n ，s m a d ) 指a d c 满量程单频 理想正弦波输入信号的有效值与a d c 输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率 分量( 包括谐波分量，不包括直流分量) 的总有效值之比。它测量的是输出信号所有 传递函数非线性加上系统所有噪声( 量化、抖动和假频) 的累积效果。因为它把噪声 和失真纳入同一规格，故能更完整的描述目标信号与噪声和失真的比较结果。 完美的转换器中，s i n a d 和s n r 是相同的。s n r 是转换器所能达到的理想 状态，s i n a d 是反映转换器实际性能参数的指标，s i n a d 越接近s n r 越好。 2 1 2 5 有效位数 有效位数( e f f e c t i v en u m b e ro fb i t s ，e n o b ) 是在a d c 器件信噪比基础上计算 出来的，它将传输信号质量转换为等效比特分辨率。系统噪声使输出信号失真， 失真大小就反映在信噪比上。a d c 的比特分辨率可以用来计算给定器件的理论信 噪比，反过来也成立，所以器件的信噪比测量值也可用来计算有效器件比特分辨 率。所有噪声源和器件的不精确性合在一起，可以转化为量化误差与有效器件分 辨率。 一个理想的n 位a d c 模块的信噪比可以由s n r 的电压形式推导得到，即： s n r = 6 0 2 x n + 1 7 6 d b 。通过使用快速傅立叶变换( f v r ) 算法可以测量出a d c 的 s i n a d ，并用其来计算有效位数( e n o b ) ，这是更真实表征a d c 模块总体性能的 第二章a d c 基本指标和测试方法 规格参数，当a d c 的总谐波失真t h d 一定时，有效位数e n o b 取决于s n r ；a d c 的s n r 越高，其有效位数e n o b 就越高。 a d c 典型动态参数的公式定义如下表： 表2 1a d c 典型动态参数的公式定义 动态参数定义 s n rs n r = 1 0 1 0 9 l o ( p s i g n a c a i s e ) s d 、a d s i n a d = - l o l o g l o ( p s i g n a l ( p i s e + p d j s t o 曲。) ) e n o b e n o b 2 ( s n h o 一1 7 6 3 ) 6 0 2 s f d r s f d r = i o l o g l o ( p s i g n a l n l a x ( p d j 哟坩。n ) ) t h d t h d = 1 0 l o g l o ( p s i 鲫i p 血t o 响n ) 此外，还有其它的一些指标，如满功率带宽( f u l l p o w e rb a n d w i d t h ) 、有效精 度带宽( e f f e c t i v er e s o l u t i o nb a n d w i d t h ) 、孔径延时( a p e r t u r ed e l a y ) 和过驱恢复 ( o v e r v o l t a g er e c o v e r y ) 等，应根据具体应用情况选取相应指标进行测试。此外，a d c 的指标之间也是相互联系的，例如，对于线性度，低频情况下可使用d n l 和i n l 来衡量，而高频情况下贝1 j 可以使用t h d 等进行衡量。这些指标从不同的角度刻画 了a d c 的实际情况。由于前面介绍静态指标和动态指标具有典型性和通用性，故 而是a d c 测试技术研究的重点。 2 2a d o 基本测试方法 目前业界已经存在一些通用的a d c 测试方法，例如针对静态指标测试的直方 图法，针对动态指标测试的快速傅式变换法，以及专门针对e n o b 的正弦波适应 法等，但是还没有单一的测试方法能够有效测试出所有的a d c 参数。a d c 测试 需要解决成本和效率的问题，故需要根据a d c 典型应用的环境，选取一些关键指 标和有效的测试方法，制定合理的测试方案。 就测试激励而言，由于正弦波在时域和频域内均能进行数学上的精确定义， 且能够达到很高的线性度，因此逐渐取代其它输入波形成为通用的激励方式。 就测试装置而言，伴随个人p c 性能的提高和成本的降低，基于数字信号处理 的测试已经成为当今业界a d c 测试的通用办法。它是通过数学软件对a d c 输出 数据进行某种类型的数字分析来进行的，如图2 1 所示 9 电子科技大学硕士学位论文 2 。2 1 直方图测试法 图2 1 基于d s p 的a d c 澳j 试原理图 伴随a d c 采样率的提高，输入参考噪声也越来越大，有些应用于通信领域的 高带宽a d c 的输入参考噪声峰峰值能够达到一至两个l s b 甚至更多【1 6 1 。但由于 直方图测试原理本身允许忽略噪声的影响，并同时满足高速自动测试方法出现的 需要，因此特别适合高速高精度a d c 的测试，并己成为应用最广泛的静态测试方 法。此外，直方图法还可以和进行动态参数测试的傅式变换法共用一套测试硬件， 因此有利于减少测试成本，方便测试方案的制定。 正弦波码密度直方图测试的方法如下： 首先对n 个码字共收集m 个采样点，并计算出每个代码实际发生的次数h ( n ) 。 注意：总的样本数目m 要达到一定的数量，如对于一个1 2 位的a d c ，希望 达到0 1 位的精度，9 9 的置信度，则要求采样点数大于4 2 0 万点。 对于一个n 位的，满摆幅范围为v f s ，设输入正弦波的幅度为a ，则代码n 发生的概率为 嘶，舟n q 拶 s i n 叫雩笋1 陋5 ， 图2 2 正弦波概率密度函数 l o 第二章a d c 基本指标和测试方法 由图可见，代码发生概率在v f s 附近出现峰值，因为这个时候d v d t 相对于 其他地方比较小，从而可以使代码箱里包含更多的码字。 对于一个正弦波波输入，理论上第n 个码字出现的次数为 五( ，z ) 抽一砌，= p ( 胛) m ( 2 6 ) 因此这个码字所对应的的d n l 可以由下式给出： d n l ( 巾粘一1 ( 2 7 ) 进一步，它所对应的i n l 可由下式计算的出来： i n l = 啦 ( 2 8 ) 为了由正弦波码密度直方图法得到精确的结果，需要注意输入正弦信号的频 率和采样频率不能成为整倍数关系，而且正弦波的输入幅度必须比a d c 满摆幅略 微的大一些( 约1 0 ) ；另外，应该通过调整正弦波的漂移量而移去a d c 的直流失 调，从而保证使从代码0 到代码2 n q 1 与代码2 n 1 到2 n 1 之间能有相同的点击数， 即： 五( 咒) = h ( n ) ( 2 9 ) 最后，a 的值应该由实际直方图测试数据来评估 a e s t i m a t e2 了v f s( 2 邶) 8 m 【、而丽h0 硐h 2 1 一2jim + fl + f 川一ll 并将评估到的a 值代入到前面的式子中来计算每个代码出现的概率，在实际 的测试中使用这个步骤可用来解决a d c 增益误差和失调误差的影响而更加精确的 计算d n l 和i n l 。 2 2 2f f t 测试法 a d c 的动态指标可以采用快速傅式变换测试的方法获取，这种测试技术可以 同时对多个测试频率进行采样，所需的测试点数相对较少，测试所需时间短，效 率和重复性非常高，并能够较全面地反映a d c 的动态特性，是业界通用的动态测 电子科技大学硕士学位论文 试方法之一。 它是将满量程正弦信号送到被测a d c 中，将转换后的数字码输出到处理机，对 输出数据实施f f t 运算，经加工计算可得到s n r 、t h d 、s i n a d 、e n o b 、s f d r 这些动态参数。 a d c 快速傅氏变换测试法的理论基础在于离散傅立叶变换，离散傅立叶变换 d f t 定义为 v l x ( m ) = e x ( n t 。矿伽刚 ( 2 11 ) n = 0 其中，t 。k 为a d c 的采样时间，n = 0 ，1 ，2 ，n 一1 。 由d f t 的定义可知，它将一个有限长度的离散序列映射成另外一个有限长度 的离散序列，从而适合于计算机处理。但是用d f t 逼近连续信号x ( t ) 频谱，存在 着三种基本独立的误差： 1 混频误差：直观地说信号混迭，把本该是高频的信号误认为低频信号 2 栅栏效应( 频谱分辨率问题) 3 截断误差( 频谱泄漏) d f t 是对f t ( 傅氏变换) 的近似，只