ADC測試參數(shù)定義分析及策略之動(dòng)態(tài)測試

1、ADC測試參數(shù)定義、分析及策略之動(dòng)態(tài)測試2007-11-08 10:50:21分類：前言混 合信號技術(shù)給當(dāng)今的半導(dǎo)體制造商們帶來了很多新挑戰(zhàn)，以前一些對數(shù)字電路只有很小影響的缺陷如今在嵌入式器件中卻可能大大改變模擬電路的功能，導(dǎo)致器件無法使用。為確保這些新型半導(dǎo)體器件達(dá)到“無缺陷”水平，需要開發(fā)新的測試策略、方法與技術(shù)。本文將結(jié)合一個(gè)簡單的混合信號器件 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 來對這些策略、技術(shù)與方法進(jìn)行討論，說明混合信號器件測試的步驟和方法。有了這些基本認(rèn)識后，就可將其擴(kuò)展并應(yīng)用到當(dāng)前先進(jìn)的嵌入式半導(dǎo)體器件中，如數(shù)字濾波器、音頻/ 視頻信號處理器及數(shù)字電位計(jì)等。傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件測試包括基本參數(shù)

2、測試 ( 連續(xù)性、泄漏、增益等 ) 和功能測試 ( 將器件輸出與給定輸入相比較 ) ，混合信號測試還要再另外增加兩個(gè)測試，即動(dòng)態(tài)測試和線性測試。動(dòng)態(tài)參數(shù)描述的是器件對一個(gè)特定頻率或多頻率時(shí)序變化信號的采樣( 從模擬信號中建立數(shù)字波形) 和重現(xiàn) ( 利用數(shù)字輸入建立模擬信號 ) 能力。線性參數(shù)則相反，描述的是器件內(nèi)在特性，主要關(guān)注數(shù)字和模擬電路之間的關(guān)系。下面將對這兩種特性分別作詳細(xì)說明。動(dòng)態(tài)測試模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)特性有時(shí)也稱作傳輸參數(shù)，代表器件模擬信號采樣和輸入波形的數(shù)字再現(xiàn)能力， 信噪比 (SNR) 、總諧波失真 (THD) 及有效位數(shù) (ENOB)等指標(biāo)可使制造商對器件輸出的“純度”和數(shù)字信

3、息精度進(jìn)行量化。新型動(dòng)態(tài)測試技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)80 年代，主要圍繞數(shù)字信號處理和傅立葉變換，將時(shí)域波形和信號分別轉(zhuǎn)換為頻譜成分。這種技術(shù)可以同時(shí)對多個(gè)測試頻率進(jìn)行采樣，效率和重復(fù)性非常高。圖 1 是對一個(gè)普通ADC 器件進(jìn)行快速傅立葉變換 (FFT) 測試的示意圖，圖中可以看到模擬信號在時(shí)域內(nèi)轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，然后用傅立葉變換轉(zhuǎn)換成頻譜。對ADC 輸出進(jìn)行傅立葉分析可提供寶貴的性能信息，但如果測試時(shí)條件設(shè)置不當(dāng)?shù)玫降男畔⒁矔翢o意義。為了從器件輸出信號的傅立葉分析中提取有意義的性能參數(shù)，在討論FFT 結(jié)果之前首先需要考慮測試條件，其中包括輸入信號完整性、采樣頻率、一致性及系統(tǒng)測量誤差( 假頻、量化

4、及采樣抖動(dòng)誤差) 。圖 1 ADC器件傅立葉測試示意圖輸入信號對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器來說，輸入信號的“純度”會影響數(shù)字輸出的性能。輸入信號中的耦合噪聲將轉(zhuǎn)換為輸出信號數(shù)字噪聲，如果輸入信號中有太多噪聲和失真，ADC 性能實(shí)際上會被測試條件所掩蓋。 輸入信號的精度和純度最終取決于器件的轉(zhuǎn)換分辨率，一般來說測試設(shè)備的精度要比被測器件高 10 倍以上。另外可以考慮在輸入端使用濾波器，除去輸入信號之外的噪聲和失真。采樣與一致性采樣頻率是采樣時(shí)間的倒數(shù)，如果采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)選擇正確，一個(gè)無限時(shí)序變化信號可用有限幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來表示。 通過奈奎斯特采樣間隔定理，即采樣頻率必須是被測信號頻率的兩倍以上，我們可以獲得正確的采樣

5、頻率范圍，利用采樣點(diǎn)再現(xiàn)輸入信號。在我們所舉例子中， ADC 必須以輸入頻率兩倍以上的頻率 “運(yùn)行” 或采樣，以便正確地?cái)?shù)字化再現(xiàn)出輸入信號，得到有效動(dòng)態(tài)測試結(jié)果。一致性是動(dòng)態(tài)測試第二個(gè)關(guān)鍵的部分，當(dāng)能對測試信號的生成與采樣進(jìn)行控制時(shí)，供很多東西。 一致性采樣主要是為了保證采樣數(shù)據(jù)包含完整的輸入周期描述信息，限的樣本中收集到盡可能多輸入信息。一致性采樣定義了測試頻率(Ft) 、樣本大小樣頻率 (Fs) 以及測試周期(N) 之間的關(guān)系，如式（1 ）所示：它可以提使得在有(M) 、采M/Ft=N/Fs式（1）這里的 M 和 N 為互質(zhì)數(shù)。另外，一致性采樣還可以保證傅立葉變換將采樣數(shù)據(jù)的頻率成分放入

6、離散頻段中。量化、假頻與采樣抖動(dòng)量化誤差指的是從時(shí)序變化信號中可分離出的最小量值信息，以我們討論的ADC 測試為例，量化誤差就是最小步距代表的電壓，或建立輸入測試信號的模擬信號源最小分辨率。假頻是由采樣產(chǎn)生的， 它將高頻信號認(rèn)作低頻信號。實(shí)際上當(dāng)采樣頻率小于信號頻率兩倍時(shí)，采樣周期即已違反了奈奎斯特采樣規(guī)定，對高頻信號采用低采樣率的結(jié)果就好像它是一個(gè)低頻信號。抖動(dòng)誤差是指系統(tǒng)輸入或采樣能力與期望值之間的差異或偏離，換句話說，本來一個(gè)有一定幅度的信號預(yù)計(jì)在時(shí)間X 產(chǎn)生，但由于抖動(dòng)誤差會使信號比預(yù)期的時(shí)間提前或推遲出現(xiàn)；同樣抖動(dòng)誤差也可能在采樣時(shí)產(chǎn)生，原來規(guī)定在時(shí)間X 采集數(shù)據(jù)但實(shí)際卻比預(yù)期時(shí)間提

7、前或推遲。 量化誤差、 抖動(dòng)誤差和假頻都會使輸入信號失真， 在頻譜上出現(xiàn)錯(cuò)誤信息。如果測試條件都設(shè)置正確，同時(shí)也遵守采樣規(guī)則，那么時(shí)基采樣信號經(jīng)傅立葉變換后的頻率部分將提供重要的器件性能參數(shù)。圖2 是一個(gè)典型的傅立葉變換圖，突出的部分是基本頻率，定義為器件輸入頻率，在這個(gè)例子中是一個(gè)1kHz正弦波， 圖中也顯示了在基本頻率倍頻上出現(xiàn)的諧波頻率和最大幅值。對于我們討論的 ADC 器件，從頻譜可以算出五個(gè)重要?jiǎng)討B(tài)傳輸特性，分別是信噪比 (SNR) 、總諧波失真 (THD) 、無雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 、信號與噪聲失真比 (SINAD) 以及有效位數(shù) (ENOB) 。圖 2 傅立葉變換圖

8、3;信噪比（ SignaltoNoiseRatio，SNR ）信噪比是輸入信號和噪聲 ( 不包括任何諧波以及直流 ) 的功率比，是定義器件內(nèi)部噪聲大小的基本參數(shù)。 SNR 定義的詳細(xì)描述如式（ 2 ）所示：式（2）NR理論上 ADC 計(jì)算公式：的信噪比范圍取決于系統(tǒng)的位數(shù)，式（3 ）是理想的N bitADC 的理論SSNR=6.02N+1.76dB式（3）這里 N 代表位數(shù)。系統(tǒng)內(nèi)部噪聲會使偏離或 SNR 大于理論值范圍， 可能造成誤差的原因包括： 器件量化誤差、器件內(nèi)部噪聲和驅(qū)動(dòng) / 采樣源產(chǎn)生的非線性噪聲（應(yīng)用噪聲）。量化噪聲關(guān)系到轉(zhuǎn)換器的分辨率，轉(zhuǎn)換器內(nèi)的噪聲主要是和輸入比較器的完善程度

9、有關(guān)。附聲卡中對SNR 的定義： SNR 是 對聲卡抑制噪音能力的一個(gè)評價(jià)。聲卡處理的是對我們有用的音頻信號，而噪音是指我們不希望有的音頻信號，通常是一些規(guī)律且難聽的聲音，是背景噪聲（由機(jī)箱內(nèi)電磁干擾產(chǎn)生）與聲卡各部件在工作時(shí)產(chǎn)生的“雜音”的綜合，聲卡應(yīng)該盡量屏蔽和減少這些噪音的出現(xiàn)與功率（音量）。在沒有出現(xiàn)飽和與截止情況下，有用信 號功率與噪音信號功率的比值就是SNR ，單位為 dB 。SNR 值越高說明聲卡的濾波效能越好，聲音聽起來也就越清晰。按照微軟在PC98 中的規(guī)定，聲卡的SNR 值必須不低于80dB 。·無雜散動(dòng)態(tài)范圍（Spurious-freeDynamicRange，

10、 SFDR ）無雜散動(dòng)態(tài)范圍能對系統(tǒng)失真進(jìn)行量化， 它是基本頻率與雜波信號最大值的數(shù)量差。 雜波通常產(chǎn)生于各諧波中 ( 雖然并不總是這樣 ) ，它表示器件輸入和輸出之間的非線性。 偶次諧波中的雜波表示傳遞函數(shù)非對稱失真，一個(gè)“給定”的輸入信號應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)“給定”的輸出，但由于系統(tǒng)非線性，實(shí)際輸出并不等于預(yù)期值，當(dāng)系統(tǒng)接收到大小相等極性相反的信號時(shí)，得到的兩個(gè)輸出不相等， 這里的非線性就是非對稱的。 奇次諧波中的雜波表示系統(tǒng)傳遞函數(shù)的對稱非線性，即給定的輸入產(chǎn)生的輸出失真對正負(fù)輸入信號在數(shù)量上都是相等的。附：在頻域中， SFDR 是衡量線性特性的有效方法。如果單音正弦信號加到輸入，SFDR 定義

11、在一定頻率范圍內(nèi)的信號與第二大頻率成分的功率差。在大多通信應(yīng)用中， 輸入是多音信號，信號由幅度、相位、和頻率不同的多個(gè)信號組成。測量SFDR 時(shí)將引起一些混淆，有時(shí)更好是用稱之為多音功率比（Multi-tonePowerRatio ， MTPR ）進(jìn)行測量， MTPR 定義為單音載波與失真的功率比。我們在多個(gè)頻率施加一定數(shù)量的等幅但相位不同的信號。在某點(diǎn)測量該點(diǎn)的輸出和該點(diǎn)失真的功率。注意這有幾個(gè)參數(shù)影響MTPR ，例如單音幅度、 挑選的單音頻率、單音數(shù)量。在不同情況下，得出的MTPR 也不同。當(dāng)單音數(shù)量增加，將形成一個(gè)高的峰值。高峰值可能使放大器飽和并使DAC 超出范圍。我們用峰值/ 平均值

12、比（ PAR ）或峰值因子，測量輸入信號的峰值與有效值功率，對單音正弦信號PAR A2/(A/sqrt(2)2=2。有時(shí) PAR 也定義為均方根功率比。如果輸入單音幅度相等，單音數(shù)量和相位決定 PAR 。多個(gè)信號輸出的SFDR 見式（ 4 ）：SFDR 6.02× N 4.77-10× log(PAR)式（ 4 ）DR高速 DAC 根據(jù)奈奎斯特采樣定理，如果采樣時(shí)鐘為 fs ，信號帶寬為可能比較差。 提高 SFDR 的一個(gè)有效途徑是采用比奈奎斯特頻率小的帶寬，fn=fs/2，但 SF當(dāng)信號帶寬為 fB ，定義過采樣率OSR fs/fB 。單個(gè)信號輸出的SFDR 如式（ 5

13、）所示：SFDR=6.02× N+1.76+10× log(OSR)式（5）采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)影響信號的抖動(dòng)， 并且時(shí)鐘本身存在雜散， 這些雜散通過電路耦合到輸出，降低信號質(zhì)量。·總諧波失真（TotalHarmonicDistortion， THD ）總諧波失真是輸入信號與系統(tǒng)所有諧波的總功率比， 它可提供系統(tǒng)對稱和非對稱非線性產(chǎn)生的總失真大小，用以表達(dá)其對信號的諧波含量的作用或者影響。式（6）附： 諧波失真是指音箱在工作過程中，由于會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象而導(dǎo)致音箱重放聲音時(shí)出現(xiàn)失真。盡管音箱中只有基頻信號才是聲音的原始信號，但由于不可避免地會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象（在原始聲波的基礎(chǔ)上

14、生成二次、三次甚至多次諧波），這樣在聲音信號中不再只有基頻信號，而是還包括由諧波及其倍頻成分，這些倍頻信號將導(dǎo)致音箱在放音時(shí)產(chǎn)生失真?？傊C波失真是指用信號源輸入時(shí)，輸出信號 （諧波及其倍頻成分）比輸入信號多出的額外諧波成分，通常用百分?jǐn)?shù)來表示。一般來說， 1MHz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產(chǎn)品均以該頻率的失真作為它的指標(biāo)。所以測試總諧波失真時(shí)，是發(fā)出1MHz 的聲音來檢測，并希望這個(gè)值越小越好。·信號與噪聲失真比（SignaltoNoiseAndDistortion， SINAD）信號與噪聲失真比 SINAD 是輸入信號和所有輸出信號失真功率流）比，它測量的是輸出信號所有傳遞函

15、數(shù)非線性加上系統(tǒng)所有噪聲（包括諧波成分，不包括直( 量化、抖動(dòng)和假頻)的累積效果。其定義如下：式（7）在完美的轉(zhuǎn)換器中，SINAD和SNR是相同的。SNR是轉(zhuǎn)換器所能達(dá)到的理想狀態(tài)，SINAD是反映轉(zhuǎn)換器實(shí)際性能參數(shù)的指標(biāo)，當(dāng)然，我們希望SINAD越接近SNR越好。·有效位數(shù)（EffectiveNumberofBits ， ENOB ）有效位數(shù) ENOB 是在 ADC 器件信噪比基礎(chǔ)上計(jì)算出來的，它將傳輸信號質(zhì)量轉(zhuǎn)換為等效比特分辨率。實(shí)際上系統(tǒng)噪聲使輸出信號失真，失真大小就反映在信噪比上。 ADC 的比特分辨率可以用來計(jì)算給定器件的理論信噪比， 反過來也成立， 所以器件的信噪比測量值也可用來計(jì)算有效器件比特分辨率。 所有噪聲源和器件的不精確性合在一起， 可以轉(zhuǎn)化為量化誤差與有效器件分辨率。讓我們再次重新溫習(xí)一下在ADC 中的兩個(gè)重要的概念：SINAD 表示 ADC 的信噪失真比，指 ADC 滿量程單頻理想正弦波輸入信號的有效值與 AD C 輸出信號的奈奎斯特帶寬內(nèi)的全部其它頻率分量 （包括諧波分量， 不包括直流分量） 的總有效值之比。SNR 表示 ADC 的信噪比，指ADC 滿量程單頻理想正弦波輸入信號的有效值與ADC 輸出信號的奈奎斯特帶寬內(nèi)的全部其它頻率分量（不包括直流和諧波分量）的總有效值之比。由上文的分析知，一個(gè)理想的N 位 ADC 模塊的