ADC测试参数定义、分析及策略之动态测试

ADC 测试参数定义 分析及策略之动态测试 2007 11 08 10 50 21 分类 前言前言 混 合信号技术给当今的半导体制造商们带来了很多新挑战 以前一些对数字电路只有很小 影响的缺陷如今在嵌入式器件中却可能大大改变模拟电路的功能 导致器件无 法使用 为 确保这些新型半导体器件达到 无缺陷 水平 需要开发新的测试策略 方法与技术 本 文将结合一个简单的混合信号器件 模数转换器 ADC 来对这些策略 技术与方法进行 讨论 说明混合信号器件测试的步骤和方法 有了这些基本认识后 就可将其扩展并应用 到当前先进的嵌入式半导体器件中 如数字滤波器 音频 视频信号处理器及数字电位计等 传统半导体器件测试包括基本参数测试 连续性 泄漏 增益等 和功能测试 将器件输出与 给定输入相比较 混合信号测试还要再另外增加两个测试 即动态测试和线性测试 动态 参数描述的是器件对一个特定频率或多频率时序变化信号的采样 从模拟信号中建立数字波 形 和重现 利用数字输入建立模拟信号 能力 线性参数则相反 描述的是器件内在特性 主要关注数字和模拟电路之间的关系 下面将对这两种特性分别作详细说明 动态测试动态测试 模数转换器的动态特性有时也称作传输参数 代表器件模拟信号采样和输入波形的数字再 现能力 信噪比 SNR 总谐波失真 THD 及有效位数 ENOB 等指标可使制造商对器件 输出的 纯度 和数字信息精度进行量化 新型动态测试技术产生于上世纪 80 年代 主 要围绕数字信号处理和傅立叶变换 将时域波形和信号分别转换为频谱成分 这种技术可 以同时对多个测试频率进行采样 效率和重复性非常高 图 1 是对一个普通 ADC 器件进 行快速傅立叶变换 FFT 测试的示意图 图中可以看到模拟信号在时域内转换成数字代码 然后用傅立叶变换转换成频谱 对 ADC 输出进行傅立叶分析可提供宝贵的性能信息 但如果测试时条件设置不当得到的信息也会毫无意义 为了从器件输出信号的傅立叶分析 中提取有意义的性能参数 在讨论 FFT 结果之前首先需要考虑测试条件 其中包括输入信 号完整性 采样频率 一致性及系统测量误差 假频 量化及采样抖动误差 图 1 ADC 器件傅立叶测试示意图 输入信号输入信号 对于模数转换器来说 输入信号的 纯度 会影响数字输出的性能 输入信号中的耦合噪 声将转换为输出信号数字噪声 如果输入信号中有太多噪声和失真 ADC 性能实际上会被 测试条件所掩盖 输入信号的精度和纯度最终取决于器件的转换分辨率 一般来说测试设 备的精度要比被测器件高 10 倍以上 另外可以考虑在输入端使用滤波器 除去输入信号 之外的噪声和失真 采样与一致性采样与一致性 采样频率是采样时间的倒数 如果采样数据点选择正确 一个无限时序变化信号可用有限 几个数据点来表示 通过奈奎斯特采样间隔定理 即采样频率必须是被测信号频率的两倍 以上 我们可以获得正确的采样频率范围 利用采样点再现输入信号 在我们所举例子中 ADC 必须以输入频率两倍以上的频率 运行 或采样 以便正确地数字化再现出输入信 号 得到有效动态测试结果 一致性是动态测试第二个关键的部分 当能对测试信号的生成与采样进行控制时 它可以 提供很多东西 一致性采样主要是为了保证采样数据包含完整的输入周期描述信息 使得 在有限的样本中收集到尽可能多输入信息 一致性采样定义了测试频率 Ft 样本大小 M 采样频率 Fs 以及测试周期 N 之间的关系 如式 1 所示 M Ft N Fs 式 式 1 这里的 M 和 N 为互质数 另外 一致性采样还可以保证傅立叶变换将采样数据的频率成分放入离散频段中 量化 假频与采样抖动量化 假频与采样抖动 量化误差指的是从时序变化信号中可分离出的最小量值信息 以我们讨论的 ADC 测 试为 例 量化误差就是最小步距代表的电压 或建立输入测试信号的模拟信号源最小分辨率 假频是由采样产生的 它将高频信号认作低频信号 实际上当采样频率 小于信号频率两倍 时 采样周期即已违反了奈奎斯特采样规定 对高频信号采用低采样率的结果就好像它是 一个低频信号 抖动误差是指系统输入或采样能力与期望 值之间的差异或偏离 换句话说 本来一个有一定幅度的信号预计在时间 X 产生 但由于抖动误差会使信号比预期的时间 提前或推迟出现 同样抖动误差也可能在采样时产生 原来规定在时间 X 采集数据但实际 却比预期时间提前或推迟 量化误差 抖动误差和假频都会使输入信号失真 在频谱上出 现错误信息 如果测试条件都设置正确 同时也遵守采样规则 那么时基采样信号经傅立叶变换后的频 率部分将提供重要的器件性能参数 图 2 是一个典型的傅立叶变换图 突出的部分是基本 频率 定义为器件输入频率 在这个例子中是一个 1kHz 正弦波 图中也显示了在基本频 率倍频上出现的谐波频率和最大幅值 对于我们讨论的 ADC 器件 从频谱可以算出五个 重要动态传输特性 分别是信噪比 SNR 总谐波失真 THD 无杂散动态范围 SFDR 信号与噪声失真比 SINAD 以及有效位数 ENOB 图 2 傅立叶变换图 信噪比 信噪比 Signal to Noise Ratio SNR 信噪比是输入信号和噪声 不包括任何谐波以及直流 的功率比 是定义器件内部噪声大小 的基本参数 SNR 定义的详细描述如式 2 所示 式 式 2 理论上 ADC 的信噪比范围取决于系统的位数 式 3 是理想的 N bit ADC 的理论 SNR 计算公式 SNR 6 02N 1 76dB 式 式 3 这里 N 代表位数 系统内部噪声会使偏离或 SNR 大于理论值范围 可能造成误差的原因包括 器件量化误 差 器件内部噪声和驱动 采样源产生的非线性噪声 应用噪声 量化噪声关系到转换器 的分辨率 转换器内的噪声主要是和输入比较器的完善程度有关 附声卡中对 SNR 的定义 SNR 是 对声卡抑制噪音能力的一个评价 声卡处理的是对我们 有用的音频信号 而噪音是指我们不希望有的音频信号 通常是一些规律且难听的声音 是背景噪声 由机箱 内电磁干扰产生 与声卡各部件在工作时产生的 杂音 的综合 声 卡应该尽量屏蔽和减少这些噪音的出现与功率 音量 在没有出现饱和与截止情况下 有用信 号功率与噪音信号功率的比值就是 SNR 单位为 dB SNR 值越高说明声卡的滤 波效能越好 声音听起来也就越清晰 按照微软在 PC98 中的规定 声卡的 SNR 值必须 不低于 80dB 无杂散动态范围 无杂散动态范围 Spurious free Dynamic Range SFDR 无杂散动态范围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 虽然并不总是这样 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 附 在频域中 SFDR 是衡量线性特性的有效方法 如果单音正弦信号加到输入 SFDR 定义在一定频率范围内的信号与第二大频率成分的功率差 在大多通信应用中 输入是多 音信号 信号由幅度 相位 和频率不同的多个信号组成 测量 SFDR 时将引起一些混淆 有时更好是用称之为多音功率比 Multi tone Power Ratio MTPR 进行测量 MTP R 定义为单音载波与失真的功率比 我们在多个频率施加一定数量的等幅但相位不同的信 号 在某点测量该点的输出和该点失真的功率 注意这有几个参数影响 MTPR 例如单音 幅度 挑选的单音频率 单音数量 在不同情况下 得出的 MTPR 也不同 当单音数量增 加 将形成一个高的峰值 高峰值可能使放大器饱和并使 DAC 超出范围 我们用峰值 平 均值比 PAR 或峰值因子 测量输入信号的峰值与有效值功率 对单音正弦信号 PAR A2 A sqrt 2 2 2 有时 PAR 也定义为均方根功率比 如果输入单音幅度相等 单音 数量和相位决定 PAR 多个信号输出的 SFDR 见式 4 SFDR 6 02 N 4 77 10 log PAR 式 式 4 高速 DAC 根据奈奎斯特采样定理 如果采样时钟为 fs 信号带宽为 fn fs 2 但 SF DR 可能比较差 提高 SFDR 的一个有效途径是采用比奈奎斯特频率小的带宽 当信号带 宽为 fB 定义过采样率 OSR fs fB 单个信号输出的 SFDR 如式 5 所示 SFDR 6 02 N 1 76 10 log OSR 式 式 5 采样时钟的抖动影响信号的抖动 并且时钟本身存在杂散 这些杂散通过电路耦合到 输出 降低信号质量 总谐波失真 总谐波失真 Total Harmonic Distortion THD 总谐波失真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 式式 6 附 谐波失真是指音箱在工作过程中 由于会产生谐振现象而导致音箱重放声音时出 现失真 尽管音箱中只有基频信号才是声音的原始信号 但由于不可避免地会出现谐 振现 象 在原始声波的基础上生成二次 三次甚至多次谐波 这样在声音信号中不再只有基 频信号 而是还包括由谐波及其倍频成分 这些倍频信号将导致音箱在 放音时产生失真 总谐波失真是指用信号源输入时 输出信号 谐波及其倍频成分 比输入信号多出的 额外谐波成分 通常用百分数来表示 一般来说 1MHz 频率处的总谐波失真最小 因此 不少产品均以该频率的失真作为它的指标 所以测试总谐波失真时 是发出 1MHz 的声音 来检测 并希望这个值越小越好 信号与噪声失真比 信号与噪声失真比 Signal to Noise And Distortion SINAD 信号与噪声失真比 SINAD 是输入信号和所有输出信号失真功率 包括谐波成分 不包括 直流 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 其定义如下 式 式 7 在完美的转换器中 SINAD 和 SNR 是相同的 SNR 是转换器所能达到的理想状态 SIN AD 是反映转换器实际性能参数的指标 当然 我们希望 SINAD 越接近 SNR 越好 有效位数 有效位数 Effective Number of Bits ENOB 有效位数 ENOB 是在 ADC 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 实际上系统噪声使输出信号失真 失真大小就反映在信噪比上 ADC 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 让我们再次重新温习一下在 ADC 中的两个重要的概念 SINAD 表示 ADC 的信噪失真比 指 ADC 满量程单频理想正弦波输入信号的有效值与 A DC 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 SNR 表示 ADC 的信噪比 指 ADC 满量程单频理想正弦波输入信号的有效值与 ADC 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 由上文的分析知 一个理想的 N