世界仍是模擬的

　　
    ADI公司的工程師們對放大器、轉(zhuǎn)換器和RF器件進行著嚴(yán)格的測試，以使消費電子和工業(yè)產(chǎn)品能夠正常工作。 

　　許多人都說：“我們生活在一個數(shù)字化的世界”，但是你不能對美國模擬器件公司（Analog Devices Inc., 簡稱ADI）的工程師說這樣的話。在麻薩諸塞州威爾明頓的公司廠房里，工程師們對用于移動電話、基站、音頻設(shè)備、儀器及其他許多“數(shù)字”產(chǎn)品的模擬信號處理的試生產(chǎn)集成電路進行著測試。 

　　威爾明頓工廠包括一條生產(chǎn)工程設(shè)計原型和成品晶圓的完整的晶圓生產(chǎn)線。工程設(shè)計集成電路的組裝在威爾明頓工廠進行，或者交給第三方承包商的工廠。成品晶圓是在全球各地的其他工廠進行組裝的。 

　　在為生產(chǎn)運算放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、音頻編碼器/解碼器（CODEC），或者RF集成電路作好準(zhǔn)備之前，必須等待產(chǎn)品工程師幾個星期的測試時間。這些工程師需要對列入數(shù)據(jù)資料的器件的所有規(guī)格進行測試，同時也需要進行他們認(rèn)為必要的其他測試。測試結(jié)果經(jīng)常成為數(shù)據(jù)資料中公布的“典型”性能特征。在完成了一次評估后，產(chǎn)品工程師需要撰寫30至40頁的測試報告。 

　　每個試生產(chǎn)集成電路都需要一塊評估板，以便向工程師提供接入信號引腳和編程寄存器。這個評估板通常包括通信端口，例如與一臺個人電腦進行通信的USB端口。產(chǎn)品工程師有責(zé)任開發(fā)一個評估板。在我訪問威爾明頓工廠期間，我聽到了一句人們經(jīng)常掛在嘴邊的關(guān)于產(chǎn)品評估的話：“是評估板還是被測器件引起了這個問題？”通常情況下，工程師必須經(jīng)過一個過程來確定問題究竟出在哪里。 

　　在最初測試一個產(chǎn)品時，工程師需要利用人工控制的臺式儀器對被測器件（DUT）進行測試。一旦他們確信元件功能正常，他們通常會在臺式儀器上運行自主測試軟件進行自動測試，或者是將評估板連接到自動測試機柜上進行測試。最后，他們還要使用生產(chǎn)自動測試設(shè)備（ATE）對器件進行一系列溫度和電源電壓方面的測試。這個ATE系統(tǒng)是由ADI公司以前的一個部門開發(fā)的，而該公司現(xiàn)在完全致力于設(shè)計和生產(chǎn)集成電路。 








　　運算放大器、分離器、濾波器應(yīng)有盡有 

　　Francisco Santos是高速放大器組的產(chǎn)品開發(fā)工程設(shè)計經(jīng)理，他的工程小組負責(zé)高速的低失真放大器、視頻濾波器、有源RF分離器、電纜驅(qū)動器、均衡器和ADSL線路驅(qū)動器等產(chǎn)品的評估。 

　　Santos小組中的工程師對AD8099進行了評估，這是一種低噪聲、低失真的高速運算放大器，具有3.8GHz增益帶寬。由于ADI公司每年都要開發(fā)數(shù)不勝數(shù)的放大器，工程師們?yōu)楣こ淘O(shè)計實驗室開發(fā)了若干個自動測試系統(tǒng)。其中的一個系統(tǒng)是對運算放大器的一個重要規(guī)范——總諧波失真進行測試?！拔覀兊牡褪д孢\算放大器的失真范圍能夠達到測試信號基頻的140dB以下”，Santos表示，“所以我們的儀器的背景噪聲就顯得非常重要了。我們不需要對來自儀器的噪聲進行測量?！?nbsp;

　　在人工執(zhí)行測量時，諧波失真測量可能需要花幾個星期的時間，但是現(xiàn)在，像Greg DiSanto這樣的工程師可以利用實驗室（圖1）的自動測試臺在幾個小時內(nèi)完成測試。DiSanto需要對THD與頻率、振幅、電源電壓和共模電壓等的關(guān)系進行特征描述。這個測試臺采用了Stanford Research的信號源來產(chǎn)生高達200kHz的測試頻率，同時也采用了Rohde & Schwarz的一個高頻單元。在對視頻放大器進行特征描述時，兩個信號源可在設(shè)置于3dB點的可選低通濾波器上產(chǎn)生2個Vp-p正弦波形。來自Allen Avionics的低通濾波器——通過18GHz RF開關(guān)連接到Keithley的儀器上——在這些儀器連接到被測器件之前就消除了諧波。更多的RF開關(guān)把被測器件的輸出端連接到濾波器上，該濾波器包括一臺Agilent Technologies的頻譜分析儀，有助于測量由二次和三次諧波引起的失真。 




　　工程師們也對輸入信號的直流偏壓進行了調(diào)整，尋找引起失真的限幅點?！伴_環(huán)增益損失引起了失真，”Santos說，“我們需要調(diào)整輸入信號的偏壓，直到我們找到使運算放大器的輸出級飽和的電壓為止?！?nbsp;

　　Santos小組中的工程師們也對有源視頻分離器，如ADA4302-4 1∶4分離器進行了評估。產(chǎn)品工程師Frank Ciarlone的自動測試臺（圖2）對復(fù)合二次（CSO，composite second-order）失真、復(fù)合三次差拍（CTB，composite triple-beat）失真，以及交叉調(diào)制（XMOD，cross-modulation）失真進行了測量。該信號發(fā)生器是由Matrix Test Equipment公司開發(fā)的，它包括可以在55.25MHz至865.25MHz頻率條件下產(chǎn)生135個正弦波形的各種頻率源。工程師利用一個75歐的負載終止了一個輸出，并把其他輸出連接到一個可編程帶阻濾波器上。一個75歐至50歐寬頻帶的低插入損失變壓器用來與一臺Rohde & Schwarz的頻譜分析儀的輸入阻抗進行匹配。 


　　他的FIFO板與被稱為LabAlyzer的自主ADC測試軟件一起運行，該軟件是利用LabView編寫的可執(zhí)行程序。利用LabAlyzer，Carney配置了一個ADC，它可以對數(shù)據(jù)進行采集，并執(zhí)行FFT來測量失真和積分非線性能力。他的任務(wù)之一是控制一個調(diào)節(jié)ADC輸入偏置電壓的寄存器。一旦他發(fā)現(xiàn)了最理想的偏置電壓，設(shè)計工程師就可以為待生產(chǎn)的器件芯片中的這個電壓進行設(shè)置。 


　　音頻CODEC 

　　ADI公司也生產(chǎn)包括DAC、ADC、采樣率轉(zhuǎn)換器，以及運行若干音頻算法的數(shù)字信號處理器等的一系列音頻集成電路。在數(shù)字音頻產(chǎn)品工程設(shè)計經(jīng)理Steven Roy的指導(dǎo)下，產(chǎn)品工程師Chirag Patel對音頻CODEC進行了評估。他評估的是適用于汽車音響系統(tǒng)的最新的AD1938。它包括4個立體聲DAC和2個立體聲ADC。該器件是AD1836A的升級型號，后者有3個立體聲DAC和2個立體聲ADC。新型汽車具有有8個揚聲器的音響系統(tǒng)，需要4個立體聲DAC。 

　　從評估板開始，Patel為具體運作模式配置了CODEC。他利用一個串行外設(shè)接口（SPI）端口將采樣率、串行數(shù)據(jù)格式和音量等寫入了寄存器。該器件包括18個用戶寄存器，以及若干僅用于內(nèi)部診斷的寄存器。該評估板通過一個USB端口與電腦進行通信。 

　　在首次調(diào)試一個新的元件時，Patel遇到了一些與他的同事Munson和Colangelo同樣的問題——辨別噪聲的來源?！斑@是一個克服困難的過程，”Patel表示，“如果我看見了電源線上的噪聲，我就會使用一個外置電源，而不使用評估板的電源?！?nbsp;

　　Patel利用來自一臺音頻精度測試儀的單音和多音信號，對CODEC的IMD、THD＋噪聲、線性、信噪比（SNR）和串?dāng)_進行了測量。在THD＋噪聲測試中，他通常使用在器件最大輸入電平之下的1dB振幅的1kHz正弦波形，而對二次和三次諧波的測量使用的是音頻測試儀。 

　　Patel最初進行評估和調(diào)試的器件大約有50個。作為其臺式評估的一部分，Patel以盡可能多的運行模式對器件的功能進行檢查。在臺式測試之后，Patel使用ATE系統(tǒng)以進一步描述器件的特征，以發(fā)現(xiàn)主要數(shù)字接口的時序限制。 

　　數(shù)字時序特征描述可以包括與彼此有關(guān)的相位差數(shù)字信號，這是Patel組織測量和把握時間的關(guān)鍵。他描述了給定溫度范圍、電源電壓和晶圓制造過程中的變化對CODEC特征的影響。如果元件滿足了規(guī)范要求，他就會在ATE系統(tǒng)上對大約500個元件進行統(tǒng)計學(xué)評估。根據(jù)統(tǒng)計，他可以為數(shù)據(jù)資料提供元件的典型值和保證值。這種統(tǒng)計學(xué)測量包括模擬特征的THD＋噪聲和SNR。 

　　“我們通常會在試生產(chǎn)運行中保留大約50%的加工晶圓，以防我們需要做出臨時的改變，”Patel說，“如果這種變化只是CODEC邏輯電路，那么，新的原型元件可以在大約3個星期內(nèi)準(zhǔn)備完畢。如果這種變化需要的是模擬電路器件，這個變化可能需要花12個星期?！?nbsp;


　　RF器件 

　　ADI公司還生產(chǎn)RF和光學(xué)元件，這些元件是由RF及無線（RFW）組的工程師進行開發(fā)和測試的。高級產(chǎn)品工程師Tom Kelly對RF產(chǎn)品，例如功率檢波器、放大器、乘法器和調(diào)制器，以及對數(shù)檢測器（log detector）等光學(xué)元件進行評估。RFW組有若干自動測試臺，Kelly使用其中之一測試AD8349，這是一種用于GSM和CDMA移動電話的700MHz至2.7GHz的正交調(diào)制器。 

　　在對AD8349進行評估期間，Kelly利用圖3所示的測試裝置測量了噪聲、相鄰頻道功率泄漏比（ACLR）和邊頻帶。Aeroflex信號發(fā)生器可產(chǎn)生I和Q調(diào)制信號。為了測量調(diào)制器的性能，Kelly用一臺Rohde & Schwarz頻譜分析儀對調(diào)制器的輸出頻譜進行了測量。 




　　圖4顯示了對一個雙載波101 W-CDMA信號進行的ACLR測量。為了進行測量，Kelly調(diào)制了兩個以頻率隔開的W-CDMA通道，以使一個通道將它們分開。然后，他在未用通道中看到了信號泄漏，以及頻率上下的雙載波。在這種情況下，可以發(fā)現(xiàn)這個無線電連接調(diào)制器（AD_RLM）與AD8349之間相鄰頻道的差值約為4dB。圖5顯示了這一邊頻帶測量。 






　　校準(zhǔn)在測量邊頻帶抑制時至關(guān)重要?！皞鹘y(tǒng)上，我們都是使用一只HP矢量電壓表進行信號校準(zhǔn)，”Kelly解釋道，“自從這種設(shè)備不再生產(chǎn)以來，我們正在嘗試使用VNA或高速示波器。” 

　　Kelly擔(dān)心如何校準(zhǔn)將會影響一個調(diào)制器I和Q基帶輸入信號。如果該信號的振幅和正交并不相等，Kelly將會看到一個不希望得到的邊頻帶。即使有完美的振幅匹配，正好為1U的相位誤差也會引起-40dBc的不希望得到的邊頻帶。1U相位和0.5dB的振幅誤差可產(chǎn)生-30dBc的不需要的邊頻帶。 

　　ADI公司的工程師要花幾個星期的時間利用臺式設(shè)備、實驗室自動測試臺和生產(chǎn)ATE系統(tǒng)對新型集成電路設(shè)計進行評估。用于生產(chǎn)的一種產(chǎn)品必須得到一位產(chǎn)品工程師的批準(zhǔn)，產(chǎn)品工程師會向設(shè)計人員提供有價值的反饋。