ADC参数解释和关键指标

第五章 ADC 静态电参数测试（一） 第五章 ADC 静态电参数测试（一） 翻译整理：李雷 翻译整理：李雷 本文要点本文要点： 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（Data Sheet）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 关键词解释 失调误差 Eo（Offset Error） 失调误差 Eo（Offset Error） ：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 E 增益误差 EG G（Gain Error）（Gain Error） ：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（Linearity Error） 线性误差 Er（Linearity Error） ：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): 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 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-Digital Conversion Process. An ADC receives an analog input and outputs the digital codes that most closely represents then input magnitude relative to full scale. Figure5.1：Analog-to-Digital Conversion Process. An ADC receives an analog input and outputs the digital codes that most closely represents then input magnitude relative to full scale. 1ADC 的静态电参数规范 1ADC 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 ： ADC Linearity Summary. The concept of code widths,code transitions,and LSB size are illustrated Figure5.2 ： ADC Linearity Summary. The concept of code widths,code transitions,and LSB size are illustrated 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。的静态电参数。 跳变电压（跳变电压（Transition Voltages） 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，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“match mode”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（最小有效位值（LSB SIZE） 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”“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：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（满刻度范围（Full Scale Range） 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：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*LSB B DUT=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（失调误差电压（Offset Error Voltage） 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：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)-Ideal Zero Value （5.4） Offset Error Voltage 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: Normalizing Offset Error Voltage Measurements 增益误差电压（增益误差电压（Gain Error） 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： Gain Error Voltage=(VFST-VZST)+2*LSB-FSRIDEAL (5.5) 误电压调误电压样规为单换增益差同失差一，可以被格化其他位（算公式同表 5.1） 。 误时规为误电压另外增益差有被格化增益差与理想满刻度电压范围的比值，如公式 5.6 所 示： Gain Error Voltage=(VFST-VZST)+2*LSB/FSRIDEAL -1 (5.6) Figure 5.3:Gain error for an ADC and a DAC. 代码宽度（代码宽度（Code Width） 参照 Figure 5.2 可知：ADC 第 N 位的代码宽度可由公式（5.7）计算得出。 Code Width(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 Figure 5.2 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计算该 ADC 的 DNL 电参数的关键步骤。 差分线性误差（差分线性误差（DNL or DNE） Figure 5.4:DNL for an ADC and a DAC. 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。 DNLN= Code Width(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” （确定“代码中心” （Center of Code） 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。 Code Center=(VT2-VT1)/2+VT1=(VT2+VT1)/2 (5.9) 积分非线性（积分非线性（INL or INE） 积分非线性（Integral Nonlinearity）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。 Figure 5.5:INL for an ADC and a DAC 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 INLN与该代码对应的 DNLN和 DNLN-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点位于该代 码对应输入电压范围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INLN均可通过公 式 5.10 计算得出。 INLN=INLN-1+(DNLN+DNLN-1)/2 (5.10) 为方便计算，公式 5.10 可以转换为下式： INLN=DNL1+DNL2+DNLN-1+DNLN/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=Binary Code*(VFS-VZS) /(2bits-1)+VOFFSET-Code Center (5.11) 这里：Binary Code 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 Code Center 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 Code Center 是实际测试的代码中心电压。 基于代码中心的满刻度范围（基于代码中心的满刻度范围（VFSR(reference to VZS)） 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(referenced to VZS)=(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(referenced to vzs)=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（失码（Missing Code） ADC 的参数规范中经常出现无失码（No missing codes）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（转换时间（Conersion Time） 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-sigma ADC 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：7.3s。 Flgure 5.6a Standalone Mode Timing Low Pulse R/C Flgure 5.6b Standalone Mode Timing High Pulse R/C ADC 误差综述误差综述 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（offset error） ，增益误差（gain error） ，DNL，INL，和失码(missing codes)。 Figure 5.7: ADC Linearity Errors Summary.The figure shows offset,gain,INL and DNL errors 二、 ADC 静态电参数测试的特点及具体实现 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。 11 用于 ADC 静态电参数测试的系统配置 用于 ADC 静态电参数测试的系统配置 Figure 5.8:Figure 5.8:Modern Mixed Signal ATE ArchitectureModern Mixed Signal ATE Architecture 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）1） 任意波形发生器（AWG） 任意波形发生器（AWG） 2）2） 波形数字化仪（WD） 波形数字化仪（WD） 3）3） 数字信号处理器