世界仍是模擬的（上）

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

　　許多人都說(shuō)：“我們生活在一個(gè)數(shù)字化的世界”，但是你不能對(duì)美國(guó)模擬器件公司（Analog Devices Inc., 簡(jiǎn)稱(chēng)ADI）的工程師說(shuō)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(duì)用于移動(dòng)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(hào)處理的試生產(chǎn)集成電路進(jìn)行著測(cè)試。

　　威爾明頓工廠包括一條生產(chǎn)工程設(shè)計(jì)原型和成品晶圓的完整的晶圓生產(chǎn)線。工程設(shè)計(jì)集成電路的組裝在威爾明頓工廠進(jìn)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(jìn)行組裝的。 　　

在為生產(chǎn)運(yùn)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(gè)星期的測(cè)試時(shí)間。這些工程師需要對(duì)列入數(shù)據(jù)資料的器件的所有規(guī)格進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)也需要進(jìn)行他們認(rèn)為必要的其他測(cè)試。測(cè)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(píng)估后，產(chǎn)品工程師需要撰寫(xiě)30至40頁(yè)的測(cè)試報(bào)告。

　　每個(gè)試生產(chǎn)集成電路都需要一塊評(píng)估板，以便向工程師提供接入信號(hào)引腳和編程寄存器。這個(gè)評(píng)估板通常包括通信端口，例如與一臺(tái)個(gè)人電腦進(jìn)行通信的USB端口。產(chǎn)品工程師有責(zé)任開(kāi)發(fā)一個(gè)評(píng)估板。在我訪問(wèn)威爾明頓工廠期間，我聽(tīng)到了一句人們經(jīng)常掛在嘴邊的關(guān)于產(chǎn)品評(píng)估的話：“是評(píng)估板還是被測(cè)器件引起了這個(gè)問(wèn)題？”通常情況下，工程師必須經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)程來(lái)確定問(wèn)題究竟出在哪里。

　　在最初測(cè)試一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，工程師需要利用人工控制的臺(tái)式儀器對(duì)被測(cè)器件（DUT）進(jìn)行測(cè)試。一旦他們確信元件功能正常，他們通常會(huì)在臺(tái)式儀器上運(yùn)行自主測(cè)試軟件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，或者是將評(píng)估板連接到自動(dòng)測(cè)試機(jī)柜上進(jìn)行測(cè)試。最后，他們還要使用生產(chǎn)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）對(duì)器件進(jìn)行一系列溫度和電源電壓方面的測(cè)試。這個(gè)ATE系統(tǒng)是由ADI公司以前的一個(gè)部門(mén)開(kāi)發(fā)的，而該公司現(xiàn)在完全致力于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)集成電路。

　　運(yùn)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(kāi)發(fā)工程設(shè)計(jì)經(jīng)理，他的工程小組負(fù)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(dòng)器、均衡器和ADSL線路驅(qū)動(dòng)器等產(chǎn)品的評(píng)估。

　　Santos小組中的工程師對(duì)AD8099進(jìn)行了評(píng)估，這是一種低噪聲、低失真的高速運(yùn)算放大器，具有3.8GHz增益帶寬。由于ADI公司每年都要開(kāi)發(fā)數(shù)不勝數(shù)的放大器，工程師們?yōu)楣こ淘O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了若干個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。其中的一個(gè)系統(tǒng)是對(duì)運(yùn)算放大器的一個(gè)重要規(guī)范——總諧波失真進(jìn)行測(cè)試。“我們的低失真運(yùn)算放大器的失真范圍能夠達(dá)到測(cè)試信號(hào)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(duì)來(lái)自?xún)x器的噪聲進(jìn)行測(cè)量。”

　　在人工執(zhí)行測(cè)量時(shí)，諧波失真測(cè)量可能需要花幾個(gè)星期的時(shí)間，但是現(xiàn)在，像Greg DiSanto這樣的工程師可以利用實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)測(cè)試臺(tái)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成測(cè)試。DiSanto需要對(duì)THD與頻率、振幅、電源電壓和共模電壓等的關(guān)系進(jìn)行特征描述。這個(gè)測(cè)試臺(tái)采用了Stanford Research的信號(hào)源來(lái)產(chǎn)生高達(dá)200kHz的測(cè)試頻率，同時(shí)也采用了Rohde Schwarz的一個(gè)高頻單元。在對(duì)視頻放大器進(jìn)行特征描述時(shí)，兩個(gè)信號(hào)源可在設(shè)置于3dB點(diǎn)的可選低通濾波器上產(chǎn)生2個(gè)Vp-p正弦波形。來(lái)自Allen Avionics的低通濾波器——通過(guò)18GHz RF開(kāi)關(guān)連接到Keithley的儀器上——在這些儀器連接到被測(cè)器件之前就消除了諧波。更多的RF開(kāi)關(guān)把被測(cè)器件的輸出端連接到濾波器上，該濾波器包括一臺(tái)Agilent Technologies的頻譜分析儀，有助于測(cè)量由二次和三次諧波引起的失真。

　　工程師們也對(duì)輸入信號(hào)的直流偏壓進(jìn)行了調(diào)整，尋找引起失真的限幅點(diǎn)。“開(kāi)環(huán)增益損失引起了失真，”Santos說(shuō)，“我們需要調(diào)整輸入信號(hào)的偏壓，直到我們找到使運(yùn)算放大器的輸出級(jí)飽和的電壓為止。”

　　Santos小組中的工程師們也對(duì)有源視頻分離器，如ADA4302-4 1∶4分離器進(jìn)行了評(píng)估。產(chǎn)品工程師Frank Ciarlone的自動(dòng)測(cè)試臺(tái)對(duì)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(jìn)行了測(cè)量。該信號(hào)發(fā)生器是由Matrix Test Equipment公司開(kāi)發(fā)的，它包括可以在55.25MHz至865.25MHz頻率條件下產(chǎn)生135個(gè)正弦波形的各種頻率源。工程師利用一個(gè)75歐的負(fù)載終止了一個(gè)輸出，并把其他輸出連接到一個(gè)可編程帶阻濾波器上。一個(gè)75歐至50歐寬頻帶的低插入損失變壓器用來(lái)與一臺(tái)Rohde Schwarz的頻譜分析儀的輸入阻抗進(jìn)行匹配。


　　　　為了描述CSO和CTB的特征，Ciarlone測(cè)量了由135個(gè)通道產(chǎn)生的互調(diào)分量。被測(cè)器件的輸出端的帶阻濾波器消除了帶外載波。他通過(guò)調(diào)制對(duì)一個(gè)有意義通道以外的所有通道進(jìn)行了XMOD測(cè)量，并測(cè)量了非調(diào)制通道頻帶中的“溢出”。“我們能夠在很短的時(shí)間內(nèi)得到我們所需的所有通道的數(shù)據(jù)，”Ciarlone表示，“而且能夠?qū)Ψ蛛x器進(jìn)行充分的評(píng)估。”

　　高速放大器組的工程師們利用Agilent Vee來(lái)控制總諧波失真和分離器測(cè)試設(shè)備。他們還自動(dòng)進(jìn)行了若干其他測(cè)量，例如使用Agilent和Rohde Schwarz的頻譜分析儀進(jìn)行的噪聲光譜密度測(cè)量，以及使用Agilent的網(wǎng)絡(luò)分析儀和Keithley的RF開(kāi)關(guān)進(jìn)行的視頻濾波器頻率響應(yīng)和群延遲測(cè)量。


　　DAC與ADC

　　以其DAC和ADC而聞名的ADI公司生產(chǎn)用于移動(dòng)電話和基站、儀器設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)的元件。產(chǎn)品工程師Justin Munson和Gina Colangelo需要對(duì)高速DAC進(jìn)行測(cè)試。Munson專(zhuān)注于那些使用低壓差分信號(hào)（LVDS）數(shù)字輸入的元件，而Colangelo則專(zhuān)注于使用單端、CMOS數(shù)字輸入的DAC。

　　最近，Munson剛剛完成對(duì)AD9736的評(píng)估，它是一個(gè)1.2Gsps的14位DAC。目前，他正在對(duì)一個(gè)更加高速的元件進(jìn)行評(píng)估。他需要測(cè)量噪聲光譜密度（NSD）、總諧波失真、非寄生動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）、互調(diào)失真（IMD）、相鄰頻道功率、位至位相位差、線性和功耗。測(cè)試信號(hào)包括單音和雙音正弦波形。Agilent ParBERT可產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，并可提供14對(duì)差分信號(hào)。

　　在對(duì)AD9736進(jìn)行評(píng)估時(shí)，Munson分別以600Msps、800Msps、1Gsps和1.2Gsps的速度對(duì)器件進(jìn)行了測(cè)試。在1Gsps測(cè)試中，Munson對(duì)ParBERT進(jìn)行了編程，覆蓋了從DC達(dá)490MHz的范圍，正好是在500MHz的尼奎斯特（Nyquist）頻率之下。

　　“當(dāng)你對(duì)運(yùn)行速度超過(guò)1Gsps的DAC進(jìn)行評(píng)估的時(shí)候，”Munson說(shuō)，“你的評(píng)估板的布局非常關(guān)鍵。評(píng)估板或被測(cè)器件的隔離問(wèn)題經(jīng)常是很棘手的。一個(gè)評(píng)估板需要有良好的電源退耦裝置，而其數(shù)字布線需要與模擬布線隔離開(kāi)來(lái)。”

　　例如AD9736這樣的DAC就有不同的模擬輸出，這將有助于最大限度地減少由接地環(huán)路引起的系統(tǒng)誤差。這對(duì)那些把該器件用在系統(tǒng)內(nèi)的工程師非常有益，但是它也導(dǎo)致了比單端輸出測(cè)試更大的難度。Munson的評(píng)估中使用的是變壓器負(fù)載而不是放大器負(fù)載。

　　他說(shuō)：“變壓器負(fù)載使它對(duì)DAC的評(píng)估變得更加容易，因?yàn)樗鼈兛梢詫⒉罘州敵鲎兂蓡味溯敵?，而不必?fù)?dān)心放大器輸出級(jí)出現(xiàn)附加的非線性。”Munson發(fā)現(xiàn)，由于每個(gè)變壓器的工作帶寬的局限性，他需要一臺(tái)以上的變壓器對(duì)DAC進(jìn)行充分的測(cè)試。

　　對(duì)Colangelo來(lái)說(shuō)，她評(píng)估的AD9779這樣的DAC是采用單端CMOS輸入的。她采用了與Munson一樣的測(cè)量方法。“一些用戶(hù)對(duì)高速LVDS接口的DAC還沒(méi)有充分的認(rèn)識(shí)，以至于他們選擇了一個(gè)CMOS接口的DAC來(lái)增加數(shù)字功能，”Colangelo說(shuō)。 LVDS接口的DAC的輸入數(shù)據(jù)能夠以高達(dá)300Msps的傳輸速率運(yùn)行。為了產(chǎn)生單端測(cè)試信號(hào)，Colangelo使用了ADI公司開(kāi)發(fā)的圖形發(fā)生器。

　　AD9779主要用于移動(dòng)基站，它包括兩個(gè)可以產(chǎn)生I/Q調(diào)制信號(hào)的DAC。用戶(hù)能夠關(guān)斷器件來(lái)降低功耗，例如，當(dāng)一部手機(jī)不發(fā)送信號(hào)時(shí)，就可以關(guān)斷DAC核的供電。

　　AD9779采用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)器件平滑的模擬輸出。數(shù)字濾波器需要自身時(shí)鐘，但是這些時(shí)鐘可能增加DAC模擬輸出的失真。將時(shí)鐘與模擬電路隔離開(kāi)來(lái)是集成電路設(shè)計(jì)人員和產(chǎn)品工程師面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)。“我們不僅僅是對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試，”Colangelo說(shuō)，“而且還要對(duì)評(píng)估板進(jìn)行測(cè)試。如果你斷掉一個(gè)器件的DAC部分的電源，而沒(méi)有斷掉數(shù)字控制部分的電源，那么在用一臺(tái)頻譜分析儀測(cè)量其輸出時(shí)，你應(yīng)該不會(huì)看見(jiàn)任何偽信號(hào)。否則，你的評(píng)估板就可能有問(wèn)題。”