ADC轉(zhuǎn)換器測試技術(shù)

高速、高精度、低功耗、多通道是ADC未來的發(fā)展趨勢
目前，隨著數(shù)字處理技術(shù)的飛速發(fā)展，在通訊、消費(fèi)電器、工業(yè)與醫(yī)療儀器以及軍工產(chǎn)品中，對高速ADC的需求越來越多。以通訊領(lǐng)域出現(xiàn)的新技術(shù)“軟件無線電”為例，其與傳統(tǒng)數(shù)字無線電的主要區(qū)別之一就是要求將A/D、D/A變換盡量靠近射頻前端，將整個RF段或中頻段進(jìn)行A/D采樣。如果將A/D移到中頻，那么這種系統(tǒng)會要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有幾十到上百兆的采樣率。同時要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器對高頻信號有很小的噪音和失真，以避免小信號被頻率相近的大信號所掩蓋。

高精度也是ADC未來的發(fā)展趨勢之一。為滿足高精度的要求，數(shù)字系統(tǒng)的分辨率在不斷提高。在音頻領(lǐng)域，為了在音頻處理系統(tǒng)中獲得更加逼真的高保真聲音效果，需要高精度的ADC。在測量領(lǐng)域，儀表的分辨率在不斷提高，電流到達(dá)nA級，電壓到mV級。目前已經(jīng)出現(xiàn)分辨率達(dá)到28bit的ADC，同時人們也在研究更高分辨率的ADC。

低功耗已經(jīng)成為人們對電子產(chǎn)品共有的的要求。當(dāng)SOC（片上系統(tǒng)）的設(shè)計者們在為散熱問題頭疼的時候，便攜式電子產(chǎn)品中的開發(fā)商們也在為怎樣延長電池使用時間而動腦筋。對于使用于此的ADC而言，低功耗的重要性是顯而易見的。

在某些應(yīng)用中（如醫(yī)學(xué)圖像處理），需要多路信號并行處理的，這驅(qū)使ADC的制造商們把多個ADC集成在一塊IC上。在這一類芯片中，如果使用傳統(tǒng)的并行接口，將意味著數(shù)字管腳的激增，所以大都是使用了CDF（Clock-Data-Frame）的并行轉(zhuǎn)串行技術(shù)。

高速AD測試中的難點(diǎn)
高精度ADC的采樣率不高，測試關(guān)鍵是要有高精度的信號源。而高速ADC測試是一項更具挑戰(zhàn)性的工作，其中采樣時鐘的Jitter和高速數(shù)字接口是兩個必須面對的難題。

采樣時鐘的Jitter（抖動）問題
隨著輸入信號和采樣頻率的增大，ADC的采樣時鐘所攜帶的Jitter，在很大程度上影響到測試結(jié)果，使之成為一項很艱難的工作。這中間有兩個重要的關(guān)系需要考慮，第一個重要的關(guān)系見圖1的推導(dǎo)。

這是在暫不考慮量化誤差的情況下，ADC的采樣時鐘所攜帶的Jitter與ADC信噪比之間的關(guān)系。這一關(guān)系也表明ADC的信噪比會受采樣時鐘Jitter所限。公式推導(dǎo)中，在計算采樣誤差幅度時，選取了t=0的時刻，因為此時正弦信號的斜率最大，得到的采樣誤差最大。表1是由式1得到的結(jié)果，從中可以看到，被測試的輸入信號頻率越大，對信噪比的要求越高，則對采樣時鐘Jitter的要求越苛刻。如輸入信號是50.1MHz的正弦波，在不考慮量化誤差的情況下，信噪比要測到55dB，則要求采樣時鐘的Jitter不能大于5.649140981ps。如果再考慮量化誤差的帶來的影響，則需要更小的Jitter。

時鐘Jitter并不是高速ADC性能的唯一限制。需要考慮的第二個重要的關(guān)系是ADC的分辨率與信噪比之間的關(guān)系，

即SNR=6.02×Bits+1.76——（2）

這是從量化噪聲方面考慮得到的公式，由它可以計算理想ADC信噪比的理論上限。
綜合考慮以上兩點(diǎn)，再加上DNL和熱噪聲的因素，得到以下的簡化公式。

式中第二項表示除采樣時鐘Jitter之外的因素，包括量化噪聲、DNL和熱噪聲，N代表ADC的位數(shù)。由這個公式，可以計算出測試ADC時所能容忍的采樣時鐘的最大Jitter。具體的做法是，輸入很低頻率的信號，做一次SNR測量，使得式3中第一項可以忽略不計，從而得到ε的值。然后根據(jù)ε和芯片可能達(dá)到的SNR，再次利用此公式，去計算出能允許的采樣時鐘的最大Jitter，從而判斷測試系統(tǒng)，例如ATE設(shè)備提供的時鐘，是否能夠滿足測試要求。

ADC高速接口問題
伴隨ADC向高速發(fā)展的趨勢，其數(shù)據(jù)輸出速率也越來越高（圖2）。在多通道ADC中，由于采用并行轉(zhuǎn)串行的技術(shù)，會要求更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。目前高速ADC一般采用高速、低擺幅的差分信號輸出，如LVDS和SLVS。怎樣才能準(zhǔn)確無誤地接收到這些高速，低擺幅的信號，是高速ADC測試所要解決的另一個重要問題。

由于輸出信號擺幅低，如LVDS，單端擺幅只有350mV，如果測試所用的ATE設(shè)備以單端信號的方式，分別對兩路差分信號進(jìn)行采樣，由于這種方法破壞了差分信號的抗干擾結(jié)構(gòu)，再加上信號速度高，使得采樣時ADC的輸出信號很容易被環(huán)境噪聲所淹沒，出現(xiàn)誤碼。所以這時就要求ATE設(shè)備在采樣通道中，集成有真正的差分比較器，以保證采集這種低擺幅差分信號的正確性。

ATE設(shè)備面臨挑戰(zhàn)
ADC的發(fā)展趨勢將對ATE設(shè)備提出很高的要求。目前ATE設(shè)備商也在積極研發(fā)支持高速、高精度、高集成度、并行測試需求的新產(chǎn)品以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。