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ADC参数解释和关键指标
第五章ADC静态电参数测试
(一)
翻译整理:
李雷
本文要点:
ADC的电参数定义
ADC电参数测试特有的难点以及解决这些难题的技术
ADC线性度测试的各类方法
ADC数据规范(DataSheet)样例
快速测试ADC的条件和技巧
用于ADC静态电参数测试的典型系统硬件配置
关键词解释
失调误差Eo(OffsetError):
转换特性曲线的实际起始值与理想起始值(零值)的偏
差。
增益误差EG(GainError):
转换特性曲线的实际斜率与理想斜率的偏差。
(在有些资料
上增益误差又称为满刻度误差)
线性误差Er(LinearityError):
转换特性曲线与最佳拟合直线间的最大偏差。
(NS公
司定义)或者用:
准确度EA(Accuracy):
转换特性曲线与理想转换特性曲线的最大偏差(AD
公司定义)。
信噪比(SNR):
基频能量和噪声频谱能量的比值。
一、ADC静态电参数定义及测试简介
模拟/数字转换器(ADC)是最为常见的混合信号架构器件。
ADC是一种连接现实模拟世
界和快速信号处理数字世界的接口。
电压型ADC(本文讨论)输入电压量并通过其特有的功
能输出与之相对应的数字代码。
ADC的输出代码可以有多种编码技术(如:
二进制补码,自
然二进制码等)。
测试ADC器件的关键是要认识到模/数转换器“多对一”的本质。
也就是说,ADC的多
个不同的输入电压对应一个固定的输出数字代码,因此测试ADC有别于测试其它传统的模拟
或数字器件(施加输入激励,测试输出响应)。
对于ADC,我们必须找到引起输出改变的特
定的输入值,并且利用这些特殊的输入值计算出ADC的静态电参数(如:
失调误差、增益误
差,积分非线性等)。
本章主要介绍ADC静态电参数的定义以及如何测试它们。
Figure5.1:
Analog-to-DigitalConversionProcess.AnADCreceivesananalog
inputandoutputsthedigitalcodesthatmostcloselyrepresentstheninput
magnituderelativetofullscale.
1.ADC的静态电参数规范
ADC的静态电参数主要验证器件的输入-输出转换曲线符合设计(理想)曲线的程度。
如
Figure5.2所示:
一个线性的ADC转换特性是一系列沿着一条理想直线的阶梯波形;对于一
个理想的ADC器件,一个特定的输出代码对应1LSB宽度的输入电压。
Figure5.2:
ADCLinearitySummary.Theconceptofcodewidths,code
transitions,andLSBsizeareillustrated
理想ADC在1个LSB范围内的任何输入电压只对应一个唯一的输出数字代码,也就是
说1LSB范围内的无限多的输入电压对应的输出代码是稳定不变的。
重要知识点:
ADC输
入-输出对应关系为“线对点”,而DAC和大多数模拟器件的输入-输出的对应关系为“点对
点”。
因此通过对被测试ADC的输入施加固定输入电压并检测输出代码的传统测试方法来
精确测试ADC器件的静态参数是不可能的。
结论:
施加“单一”输入电压并监测输出代码的传统方法无法精确测试ADC的静态电参数。
跳变电压(TransitionVoltages)
有一定电路测试基础的技术人员都知道,大多数模拟器件的电参数测试都通过对DUT
的输入端施加合适的激励,随后测试输出响应来完成。
既然ADC器件的输出为数字代码,
那么就没有响应的输出电压值的测量,而ADC器件独有的“多对一”特性,又使得其无法
按传统方式进行测试;因此必须找到特定的输入电压值,在该输入电压的激励下使得ADC
的输出完成在相邻代码间的跳变。
这个特定的输入电压值就是跳变电压(有些资料也称为
跃迁电压)。
跳变点提供了模拟输入与数字输出代码两者之间唯一的、精确的相互联系,而
ADC的各个跳变电压也决定的ADC的线性度。
测试ADC的基本方法就是对器件的输入端施加连续变化的模拟电压激励,监测器件的
输出代码,一旦输出代码发生跳变,立即记录相应的输入电压值。
这种测试方法的概念类似
与数字器件的“matchmode”测试。
需要特别注意的是两个特殊的输入跳变电压,一个被称为零刻度跳变电压点(VZST简称:
零刻度跳变点),一个被称为满刻度跳变点(VFST)。
这两个跳变点对应的模拟输入电压被用
于计算ADC的满刻度范围(FSR)和最小有效位(LSB)。
最小有效位值(LSBSIZE)
ADC器件理想的LSB通过器件技术规范中的满刻度范围(FSR)除以器件的总输出代
码数计算得到的。
LSBIDEAL=FSR/2bits(5.1)
然而在测试具体器件时,平均的LSB值是由该器件的“主体”实际转换曲线计算得出的。
具体的说:
被测ADC的平均LSB值是由VFST和VZST两个跳变点之间的电压范围除以这两个跳
变点之间的输出代码数得出。
如Figure5.2所示:
不使用整个满刻度范围(FSR)来计算LSB
的原因是,满刻度范围不能直接测量得出(不同于DAC);在转换曲线中能够直接测试得出
的最大范围是两个端点VZST和VFST。
重要知识点:
一个ADC器件的转换曲线中总共有2bits-1个跳变点。
在第一个跳变点
(VZST)和最后一个跳变点(VFST)之间ADC器件共有2bits-2个输出代码。
综上所述,每个被测ADC的平均LSB可由公式5.2计算得出。
由于每个器件的VZST和VFST
是各不相同的,我们称被测器件的平均LSB为LSBDUT。
LSBDUT=(VFST-VZST)/(2bits-2)(5.2)
例:
一个12位的ADC的VZST=2.4mV,VFST=9996.4mV,那么该器件的
LSBDUT=(9996.4-2.4)/(212-2)=9994mV/4094=2.441133mV。
同时可知该ADC共有212
(4096)个输出代码,输出代码范围是0---(212-1)(0---4095)。
满刻度范围(FullScaleRange)
如Figure5.2所示,满刻度范围(FSR)是施加到ADC器件模拟输入端的最大输入信号
范围。
如同LSB一样,理想的ADC满刻度范围(FSRIDEAL)可在器件的详细产品规范中找到,
不能够直接测量得出。
前面讲到,ADC器件只能测试到跳变点电压(唯一和输出代码精确对应),而且满刻度
范围(FSR)不能直接测试得到,那么FSR值必须通过计算得出。
一个ADC器件的VFST和VZST
之间有2bits-2个LSB值,也就是说比满刻度范围少2个LSB。
重要知识点:
ADC器件的FSR值可由该器件VFST与VZST之间的电压差加2个LSB
值计算得出。
FSRDUT=(VFST-VZST)+2*LSBDUT(5.3)
上例中:
FSRDUT=(9996.4-2.4)mV+2*LSBDUT=9994mV+2*2.441133mV=9998.882266mV。
需要注意的是:
ADC器件的FSR参数可以被定义为电压、电流,可以是正值、负值、正负
值。
ADC器件的模拟输入范围不穿越零点的被称为单极性,穿越零点的称为双极性。
失调误差电压(OffsetErrorVoltage)
如Figure5.2所示,失调误差电压(VOFFSET)是指理想的零点电压值和实际计算得到的
零点电压值之间的偏差。
在实际测试中可以定义为ADC的第一个数字输出跳变点(VZST)电
压减去1/2LSBDUT再减去理想的零点值。
重要知识点:
VZST-0.5LSB使得ADC实际转换曲线的起点位于模拟零刻度输入的“代码
中心。
VOFFSET=(VZST-0.5LSB)-IdealZeroValue(5.4)
OffsetErrorVoltage通常规格化为其它的单位。
器件规范中常见的单位有%FS,
ppm,LSB。
表4.2说明了失调误差如何由电压转换为其它单位。
Table5.1:
NormalizingOffsetErrorVoltageMeasurements
增益误差电压(GainError)
增益误差电压的定义是被测ADC的实际满刻度电压范围(由公式5.3计算得出)减去
理想的满刻度电压范围(参数规范中给出),如公式5.5所示:
GainErrorVoltage=[(VFST-VZST)+2*LSB]-FSRIDEAL(5.5)
增益差同失差一,可以被格化其他位(算公式同表5.1)。
误电压调误电压样规为单换
另外增益误差有时被规格化为增益误差电压与理想满刻度电压范围的比值,如公式5.6所
示:
GainErrorVoltage=[(VFST-VZST)+2*LSB]/FSRIDEAL-1(5.6)
Figure5.3:
GainerrorforanADCandaDAC.
代码宽度(CodeWidth)
参照Figure5.2可知:
ADC第N位的代码宽度可由公式(5.7)计算得出。
CodeWidth(N)=V(N+1)-V(N)(5.7)
这里V(N+1)表示输出代码由N跳变为N+1时所对应的模拟输入电压,V(N)表示输出代码由
N-1跳变为N时所对应的模拟输入电压。
V(N+1)减去V(N)就表示输出代码N的代码宽度。
由
Figure5.2可知输出为全“0”的代码宽度和输出为全“1”代码宽度无法直接测试得出。
这
一点以后在直方图测试INL和DNL电参数的测试方法中详细叙述。
重要知识点:
测试ADC器件的各个代码宽度是计算该ADC的DNL电参数的关键步骤。
差分线性误差(DNLorDNE)
Figure5.4:
DNLforanADCandaDAC.
如同DAC一样,ADC的差分线性误差可被看作测试“小信号”或相邻转化步进的线性误
差。
前文讲到ADC的DNL电参数测试要求代码宽度的测试,也就是要求对相邻跳变点对应的
模拟输入电压的压差进行测试。
如Figure5.4所示:
ADC第N位输出代码对应的DNL(N)等于
第N位的代码宽度减去被测ADC的平均LSB电压值。
大多数ADC器件的传输特性曲线为线性的,即输出代码和输入电压的比率为恒定的。
因此ADC器件的传输特性可以用直线方程y=mx+b来表示。
DNL[N]=CodeWidth(N)-LSBDUT(5.8)
差分非线性电参数是ADC器件的关键静态参数。
测试DNL时,首先通过公式(5.2)测
定该器件的实际LSB值。
一个输出代码N的DNL测试需要两步测量计算。
第一步,测试输出
代码N对应相邻跳变点的模拟输入电压差。
第二步,用电压差减去该器件的平均LSB值(由
公式5.2计算所得),结果即为输出代码N的DNL。
对ADC器件的所有输入代码均进行以上
测试计算,得出每一输入位的DNL。
找出其中最大的DNL值并与器件产品规范进行比较,如果该值超出了产品规范要求,则
该器件失效剔出。
DNL通常在产品规范中用LSB来表示,但是在特殊情况下也会被转换为其他单位或仅用
电压表示。
转换方法可参照Table5.1完成。
确定“代码中心”(CenterofCode)
ADC的另外一项关键静态电参数是积分非线性(INL),这项参数的测试通常是针对“代
码中心”而言的。
Figure5.2以图形化的形式描述了代码中心的概念。
可见一旦“代码宽度”
确定了,“代码中心”可以非常容易的通过计算得出。
ADC的一个输出代码的代码中心等于
该代码的代码宽度(VT2-VT1)除以2,再加上前跳变点VT1。
这里有两个特殊的代码中心要特别
注意,一个是零刻度点(VZS),一个是满刻度点(VFS)。
零刻度中心点(VZS)被定义为零刻度跳变点(VZST)减去0.5LSBDUT。
满刻度中心点(VFS)被定义为满刻度跳变点(VFST)加上0.5LSBDUT。
CodeCenter=(VT2-VT1)/2+VT1=(VT2+VT1)/2(5.9)
积分非线性(INLorINE)
积分非线性(IntegralNonlinearity)是指大信号的线性误差,是指ADC给定输入所
包含全部差分线性误差的累积代数和。
Figure5.5:
INLforanADCandaDAC
由Figure5.5所示,计算ADC的INL首先要确定被测器件的端点(endpoints)直线。
前面说过,ADC的积分线性误差是基于代码中心的测试。
既然代码中心位于两个相邻跳变
点的中间,那么代码N对应的INL[N]与该代码对应的DNL[N]和DNL[N-1]有关。
对DAC而言,输出电压偏离端点(零点和满刻度点)直线的电压即为线性误差;对于
ADC则稍微复杂一些。
由于ADC设计时要求输出代码N对应的理想的输入电压点位于该代
码对应输入电压范围的中心,因此被测器件的理想转换直线是零刻度中心点(零刻度中心点
(VZS)被定义为零刻度跳变点(VZST)减去0.5LSBDUT)和满刻度中心点(满刻度中心点(VFS)
被定义为满刻度跳变点(VFST)加上0.5LSBDUT)之间的一条直线。
综上所述:
ADC的INL测
试就是测量代码中心偏离理想转换直线的程度。
ADC的任何输出代码的INL[N]均可通过公
式5.10计算得出。
INL[N]=INL[N-1]+(DNL[N]+DNL[N-1])/2(5.10)
为方便计算,公式5.10可以转换为下式:
INL[N]=DNL[1]+DNL[2]+…+DNL[N-1]+DNL[N]/2
如图DNL一样,ADC也必须计算出每一个输出代码的INL值,并通过比较最大的INL
与器件参数规范进行来判定器件是否合格。
另一种测试INL的方法则是直接比较代码中心值和基于端点直线的理想输入电压值的
偏差。
具体见公式5.11
INL=[BinaryCode*(VFS-VZS)/(2bits-1)+VOFFSET]-CodeCenter(5.11)这里:
BinaryCode是被测试的输出代码
VFS是满刻度输出代码的代码中心
VZS是零刻度输出代码的代码中心
VOFFSET是失调误差电压
CodeCenter是实际测试得到的代码中心值
要注意的是:
方括号内部的值是输出代码对应于X轴的理想输入电压(对应于端点直线),
而CodeCenter是实际测试的代码中心电压。
基于代码中心的满刻度范围(VFSR(referencetoVZS))
前文论述的满刻度范围是基于零刻度跳变点(VZST)的,具体计算公式为:
FSRDUT=(VFST-VZST)+2*LSBDUT;而积分非线性(INL)的计算确是基于零刻度输出代码中心的。
由于零刻度中心点等于零刻度跳变点减去0.5个LSBDUT,所以:
VZS=VZST-0.5LSBDUT。
VZS也被
称为零刻度电压。
为了便于参数之间的统一计算,有些时候需要把器件的满刻度范围调整为参考零刻度输
出代码中心的形式。
一个简单的方法是对零刻度跳变点(VZST)和满刻度跳变点(VFST)各
减去0.5个LSB。
这样通过简单的移动,公式FSRDUT=(VFST-VZST)+2*LSBDUT等效变化为下式:
VFSR(referencedtoVZS)=(VFST-0.5LSB)-(VZST-0.5LSB)+2LSB(5.12)
我们定义VFSV=VFST+1.5LSBDUT,VFSV被称为是实际的满刻度输入电压值,那么公式5.12
可以简化为公式5.13。
VFSR(referencedtovzs)=VFSV-VZS(5.13)
这样就完成了参考点由零刻度跳变点(VZST)到零刻度中心点(VZS)的转换。
失码(MissingCode)
ADC的参数规范中经常出现无失码(Nomissingcodes)保证声明,说明该类器件所
有可能的输出代码均会产生。
通常情况下ADC器件可规定其产生的输出代码数等于或少于
该类型器件的分辨率。
例如:
对一个14位的ADC,可以规定它的无失码保证为14位,也
可以规定它的无失码保证为12位。
有很多原因都可以造成ADC器件失码。
例如:
ADC器件存在内部逻辑错误。
如果这
种问题只引起最低有效位(LSB)丢失,而其它代码均产生了,很有可能是该类ADC的最低
位只是用于改善该器件的性能,而不进行无失码保证的。
转换时间(ConersionTime)
转换时间:
ADC器件转换其模拟输入信号的“单点”电压值到结果输出代码所需要的
时间。
不同架构的ADC器件的转换时间大不相同。
通常情况下,积分型ADC的转换时间
为毫秒级,逐次逼近型和delta-sigmaADC的转换时间为微秒级,而flash型ADC的转
换时间为纳秒级。
下图即为AD674的转换时序图,其中tc为转换时间,典型值:
7.3μs。
Flgure5.6aStandaloneModeTimingLowPulseR/C
Flgure5.6bStandaloneModeTimingHighPulseR/C
ADC误差综述
Figure5.7以图表的形式总结了上文讨论的ADC器件中所有的误差。
它们分别是失调
误差(offseterror),增益误差(gainerror),DNL,INL,和失码(missingcodes)。
Figure5.7:
ADCLinearityErrorsSummary.Thefigureshows
offset,gain,INLandDNLerrors
二、ADC静态电参数测试的特点及具体实现
上一节主要介绍了ADC器件的常规静态电参数的定义以及计算公式。
但如何通过集成
电路测试系统具体实现对ADC器件准确、快速的测试?
本文将从测试设备配置、常规ADC
参数规范、快速测试ADC、提高测试精度等四个方面具体介绍。
1.用于ADC静态电参数测试的系统配置
Figure5.8:
ModernMixedSignalATEArchitecture
Figure4.8是现代混合信号测试系统的通用结构。
这种架构的测试系统不仅能测试
微处理器类的纯数字器件,更适合于测试混合信号器件(如:
ADC、DAC、采样保持器、
模拟开关、电源管理器件、开关电容滤波器等)。
系统中的数字子系统与常规数字测试设备一致,包含数字向量存储器、
Pin-Electronic等资源;模拟子系统除了包含传统模式测试设备的资源外(如:
高精度
测量单元、矩阵板等)还增加了三个特殊的测试单元。
它们分别是:
1)任意波形发生器(AWG)
2)波形数字化仪(WD)
3)数字信号处理器(DSP)
这三种测试单元的引入,替代了传统模拟测试设备中的多种用途较窄仪表。
这三种
测试单元的用途及基本结构可参见本书第二章:
混合信号测试概述。
如果要测试ADC(或DAC)的交流电参数(如:
建立时间、信噪比、转换速率等),
建议按Figure5.8中的配置购置设备。
如果没有交流参数测试要求,则可减少模拟部分
的测试单元以降低成本。
Figure5.9为精简后的DAC静态电参数测试系统,该系统去掉
了WD和DSP,而WG也仅做为测试高精度ADC时的斜坡发生器选件。
ADC静态参数测试
设备的具体配置:
数字子系统:
数字向量存储器、多通道数字驱动与测量单元(Pin-Electronic)
模拟子系统:
高精度电压源、矩阵板、高精度测量单元(highresolutionmeter
或WD)
Figure5.9:
TypicalTestSetupforADCstatecmeasurements.Thereareseveral
methodsforsupplyingandmeasuringtheanaloginputtoADC,whicthisdiscussed
insubsequentsection.
需要注意的是Figure5.9中的智能控制模块,该模块通过反馈被测器件的输出代码来控
制ADC的输入电压,可以快速找到被测ADC的跳变点电压。
后文详细介绍。
2.DAC的产品数据规范及静态电参数测试要求
Table5.2:
ADCExampleSpecification
上表为常规ADC器件的数据规范。
由规范可知一般ADC电参数包括:
输出参数、静态参
数、动态参数、交流参数等4个部分。
(未完待续。
。
。
。
。
)
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