郭曉宇

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

一種用于高速ADC INL/DNL測試的新方法

郭曉宇

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

隨著高速ADC器件的不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)的低速ADC器件測試評價方法已經(jīng)越來越不適用。為從工程上實現(xiàn)高速ADC器件的測試評價，提供了一種高速ADC器件關(guān)鍵參數(shù)評價INL、DNL的新方法，詳細(xì)分析了新算法的原理和正確性。目前這些算法已經(jīng)大量應(yīng)用到實際高速ADC器件的測試評價中去，解決了高速ADC器件難以評價的問題。

高速ADC；微分非線性；積分非線性

1　引言

隨著當(dāng)今電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，作為數(shù)字與模擬接口電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）也在朝向高速高精度的方向不斷發(fā)展。伴隨著這一趨勢的是對其測試方法和測試手段越來越高的要求。由于其高速高精度的特點，在實際的應(yīng)用與測試中能影響其性能的因素也比能影響普通低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的更多，使測試也變得更加困難，因此研究與探索高速ADC測試技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文重點介紹的是一種應(yīng)用于高速ADC生產(chǎn)測試中測試INL、DNL參數(shù)的算法，同時討論一下在此算法ADC器件交流參數(shù)測試中會

2　ADC INL、DNL參數(shù)定義及測試原理

ADC的測試包括直流參數(shù)測試部分和動態(tài)參數(shù)測試部分。ADC的直流參數(shù)測試部分主要包括電壓基準(zhǔn)、積分非線性（INL）、微分非線性（DNL）、增益誤差（Gain Error）、偏移誤差（Offset Error）等；ADC的動態(tài)參數(shù)測試部分主要包括輸出數(shù)字信號的總諧波失真度（THD）、有效位數(shù)（ENOB）、無失真動態(tài)范圍（SFDR）、信噪比（SNR）、互調(diào)失真（IMD）等。

盡管INL和DNL對于應(yīng)用在通信和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器來講不算是最重要的電氣特性參數(shù)，但它們在高分辨率成像應(yīng)用中卻具有重要意義。

2.1INL和DNL的定義

（1）積分非線性（INL）

積分非線性表示了ADC在所有的數(shù)值點上對應(yīng)的理想值和真實值之間的誤差，也就是輸出數(shù)值偏離線性的距離。單位是LSB。

（2）微分非線性（DNL）

DNL誤差定義為實際量化臺階與對應(yīng)于1 LSB（1 LSB = VFSR/2N，其中VFSR為滿量程電壓，N是ADC的分辨率）的理想值之間的差異。理論上說，模數(shù)器件相鄰兩個數(shù)據(jù)之間，模擬量的差值都是一樣的，就好比疏密均勻的尺子。但實際上，相鄰兩刻度之間的間距不可能都是相等的。這個差異就叫微分非線性DNL。

2.2測試原理

有兩種方法用于測試INL和DNL參數(shù)，它們是邊沿代碼測試（code transition）和中心代碼測試（code center），如圖1所示。

圖1　邊沿代碼測試

圖2 中心代碼測試

圖1與圖2表明了中心代碼測試和邊沿代碼測試的不同。在圖1中的黑點即代表代碼轉(zhuǎn)換邊沿，圖2的黑點表示代碼中心。從圖中可以看出，代碼轉(zhuǎn)換邊沿可以直接測量得到，而由于量化不確定性代碼中心不能直接測得，而是通過兩個代碼邊緣的中點得到。

圖3 中心代碼測試與邊沿代碼測試INL對比

圖3強調(diào)了中心代碼測試的問題。圖中ADC的轉(zhuǎn)移函數(shù)顯示量化臺階寬窄交錯，但是連接臺階中形成的一條直線與理想直線重合，表明電路有接近完美的INL性能。而另一面，通過連接邊沿形成的一條直線與理想直線比較，表明電路的INL實際值為0.5 LSB。

實際生產(chǎn)測試中，為了提高測試效率，不會分別尋找各個轉(zhuǎn)換邊沿，而是采用線性斜坡直方圖的方法測試INL、DNL參數(shù)。在ADC模擬輸入端輸入一個超出FSR上升或下降的ramp波（線性斜坡），并用ADC采用固定的采樣率采集，由于每個碼都有相同的出現(xiàn)概率，理想情況下每個碼發(fā)生的次數(shù)應(yīng)該一樣多（兩端除外）。每個碼發(fā)生的次數(shù)被畫成一個直方圖，代碼出現(xiàn)次數(shù)多，說明其量化臺階寬，否則就窄。

讓我們用MT表示采集到的總次數(shù)（兩端次數(shù)除外），用h（n）表示每個碼發(fā)生的次數(shù)，n=1，2，…2N-2。理想電路情況下每個碼發(fā)生的次數(shù)h（n）THEORETICAL= MT/（2N-2）。如果用h（n）ACTUAL表示每個碼實際發(fā)生的次數(shù)，則DNL可用下面的公式計算得到：

INL通過累加DNL得到：

3　采用sine波測試INL、DNL的方法

隨著ADC電路采樣頻率的提高，傳統(tǒng)ramp直方圖測試方法越來越不適用了。主要原因是隨著頻率升高，ramp波發(fā)生器產(chǎn)生的非線性度也提高了，只能達(dá)到10位精度，不適合用來測試高速、高精度AD電路。

為了測試高速AD電路的INL、DNL特性，我們采用正弦波直方圖測試方法。它的主要優(yōu)點是高頻正弦波比高頻斜坡要容易產(chǎn)生得多，而且能更好地描述ADC的動態(tài)特性，同時可以和動態(tài)參數(shù)測試在同一個測試項中測試得到，減少測試時間。

正弦波測試INL、DNL方法也有一個缺點，就是由于正弦是一個不均勻的電壓分布，在接近上下峰值時花大量的時間而在中間段花較少的時間，使得輸出代碼不能均勻分布，上下代碼寬度遠(yuǎn)大于中間的代碼寬度，因此一個理想ADC的正弦直方圖成一個浴盆曲線。為了解決這個問題，需要采集巨大的樣本數(shù)以及復(fù)雜的算法規(guī)格化正弦直方圖以消除正弦波電壓分布的不均勻性。

（1）采樣數(shù)要求及計算公式

采樣數(shù)取決于ADC電路的位數(shù)以及測試可信度要求。如果用NRECORD表示需要的采樣數(shù)，表示置信度，β表示測試精度，采樣數(shù)要求公式如下：

例如，一個10位AD電路，要求0.1 LSB的測試精度，90%的置信水平，要求的采樣點數(shù)為：

（2）規(guī)格化算法公式

讓我們用NS表示采集到的總次數(shù)（包括兩端次數(shù)），用H（i）表示每個碼發(fā)生的次數(shù)，i=0，2，…2N-1。理想電路情況下每個碼發(fā)生的次數(shù)（即每個碼發(fā)生的概率）為Hsinewave（i）（兩端除外），可用以下公式得到：

其中，

（3）INL、DNL計算公式

最后，

4　使用sine波實際測試曲線介紹及分析

下圖中示例為ADI公司一款10 bit ADC電路AD92XX，采樣速率達(dá)到65 MSPS。圖4為理想情況下sine波的直方圖，通過計算得到，很像一個浴盆。圖5為使用Teradyne公司UltraFlex混合信號測試機測試AD92XX電路在65 MHz采樣率下采集2.4 MHz正弦波1M點得到的直方圖。圖6和圖7分別為規(guī)格化后得到的DNL曲線和INL曲線。圖8和圖9為電路數(shù)據(jù)手冊中的DNL和INL測試結(jié)果。圖7和圖9中INL曲線表現(xiàn)的很像一個鋸齒波，這正是ADC電路采用分段數(shù)模轉(zhuǎn)換的結(jié)果，在段和段的接縫上總是INL變化最大的地方。同樣道理，圖6和圖8 中DNL曲線中向下的突起也是由于這個原因引起，且與INL曲線中的鋸齒位置一一對應(yīng)。分析圖中數(shù)據(jù)，我們不難看出電路測試的INL指標(biāo)在0.75 LSB，DNL指標(biāo)為-0.6 LSB，其與國外手冊測試值對比見表1。

表1　電路測試指標(biāo)與國外手冊對比

圖4　理想電路Hsinewave（i）直方圖

圖5　實際電路H（i）直方圖

圖6　實測DNL結(jié)果

圖7　實測INL結(jié)果

圖8　ADI公司AD92XX電路數(shù)據(jù)手冊DNL曲線

圖9　ADI公司AD92XX電路數(shù)據(jù)手冊INL曲線

將測試結(jié)果和AD電路數(shù)據(jù)手冊中的圖進(jìn)行比較，可以看出兩者十分相似，測試結(jié)果基本正確。但是，使用UltraFlex測試得到的結(jié)果比數(shù)據(jù)手冊中的稍大一點，分析其主要原因如下：

（1）測試使用UltraFlex測試機UltraPin800數(shù)字通道作為時鐘信號，抖動達(dá)到3 ps，對測試結(jié)果有很大影響，最好使用抖動小于0.1 ps的時鐘源。

（2）測試使用UltraFlex測試機TurboAC信號源作為正弦信號發(fā)生器，使用其內(nèi)部6 MHz濾波器濾波，許多生成的諧波成分濾除不干凈，信號純度不夠，影響測試結(jié)果，最好使用專用窄帶濾波器，效果更好。

（3）采樣點數(shù)剛好達(dá)到要求，如果把采樣點數(shù)提高到4 M個點左右，效果會更好。

（4）要像正弦波測試SNR一樣，為了避免頻譜泄露，即重復(fù)采樣，需要設(shè)置采樣點數(shù)和正弦波頻率，使得ADC采集到整數(shù)個周期的正弦波。

5　結(jié)束語

本文提出的使用sine波直方圖的方法能夠高效地測試高速ADC電路的INL、DNL參數(shù)。和使用ramp波直方圖測試的方法不同，此測試方法不僅能夠在動態(tài)狀況下測試高速ADC電路的靜態(tài)參數(shù)，而且能夠在ADC電路最高采樣率下測試INL、DNL參數(shù)，更適合高效、全面的評估電路性能。實際使用Teradyne公司UltraFlex測試機測試ADI公司AD92XX電路證明了該方法的正確性和可行性。這為高速ADC電路在AWG生成ramp波精度有限的情況下生產(chǎn)測試INL、DNL參數(shù)提供了一種有效方法，具有很強的工程實用價值。

［1］ UltraFLEX User Manuals［P］. Teradyne Technology，Inc.

［2］ Mark Burns. An Introduction to Mixed-Signal IC Test and Measurement［M］. Oxford University Press，Inc.

［3］ Walt Kester. ANALOG-DIGITAL CONVERSION［P］. Analog Devices.

Research on Testing Technology of High Speed ADC

GUO Xiaoyu
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute， Wuxi 214035， China）

With the emergence of high speed ADC， the traditional technology of low speed ADC testing isn't fit for the new high speed ADC. In order to evaluate high speed ADC， this paper focuses on a new technology for new ADC's testing INL and DNL . In this paper the new technology is described and proved clearly. The conception and technology of ADC testing and the source of UltraFlex system are described. Now this technology has been used in actual high speed ADC's testing.

high speed ADC testing； INL； DNL出現(xiàn)的問題、原因和解決辦法。

TN407

A

1681-1070（2015）12-0012-04

郭曉宇（1979—），男，湖北武漢人，畢業(yè)于武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，目前工作于中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，主要從事集成電路測試工作。

2015-9-14