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。
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。
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。
ENOB=[SNR(dB)-1.76dB]/6.02dB
线性测试
动态测试关注的是器件的传输和性能特征,即采样和重现时序变化信号的能力,相比之下,线性测试关注的则是器件内部电路的误差。对ADC来说,这些内部误差包括器件的增益、偏移、积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)误差,这些参数说明了静止的模拟信号转换成数字信号的情况,主要关注具体电平与相应数字代码之间的关系。测试ADC静态性能时,要考虑两个重要因素。第一,对于给定的模拟电压,一个具体数字代码并不能告诉多少有关器件的信息,它仅仅说明这个器件功能正常,要知道器件功能到底如何还必须考虑模拟电压的范围(它会产生一个输出代码)以及代码间的转换点。第二,动态测试一般关注器件在特定输入信号情况下的输出特性,然而静态测试是一个交互性过程,要在不同输入信号下测试实际输出。
偏移与增益误差
器件理想输出与实际输出之差定义为偏移误差,所有数字代码都存在这种误差。在实际中,偏移误差会使传递函数或模拟输入电压与对应数值输出代码间存在一个固定的偏移。通常计算偏移误差方法是测量第一个数字代码转换或“零”转换的电压,并将它与理论零点电压相比较。增益误差是预估传递函数和实际斜率的差别,增益误差通常在模数转换器最末或最后一个传输代码转换点计算。
为了找到零点与最后一个转换代码点以计算偏移和增益误差,可以采用多种测量方式,最常用的两种是代码平均法和电压抖动法。代码平均测量就是不断增大器件的输入电压,然后检测转换输出结果。每次增大输入电压都会得到一些转换代码,用这些代码的和算出一个平均值,测量产生这些平均转换代码的输入电压,计算出器件偏移和增益。电压抖动法和代码平均法类似,不同的是它采用了一个动态反馈回路控制器件输入电压,根据转换代码和预期代码的差对输入电压进行增减调整,直到两代码之间的差值为零,当预期转换代码接近输入电压或在转换点附近变化时,测量所施加的“抖动”电压平均值,计算偏移和增益。
非线性微分和积分 与增益和偏移一样,计算非线性微分与积分误差也有很多种方法,代码平均和电压抖动两种方法都可以使用,但是由于存在重复搜索,当器件位数较多时这两种方法执行起来很费时。一个更加有效计算INL和DNL的方法是直方图法,采用线性或正弦直方图。图4说明了线性斜升技术的应用,首先使输入电压线性增加,同时对输出以固定间隔连续采样,如图所示,电压逐步增加时连续几次采样都会得到同样输出代码,这些采样次数称为“点击数”,并在图4底部用直方图表示。
和前面讨论的偏移和增益没有多大关系,非线性微分和积分指代码转换与理想状态之间的差异。非线性微分(DNL)主要是代码步距与理论步距之差,而非线性积分(INL)则关注所有代码非线性误差的累计效应。对一个ADC来说,一段范围的输入电压产生一个给定输出代码,非线性微分误差为正时输入电压范围比理想的大,非线性微分误差为负时输入电压范围比理想的要小。从整个输出代码来看,每个输入电压代码步距差异累积起来以后和理想值相比会产生一个总差异,这个差异就是非线性积分误差(图3)。
嵌入式半导体系统
很多嵌入式半导体器件由不同的模拟和数字电路混合而成,利用前面讨论的混合信号测试原理,我们可以确保在器件运行过程中不会出现问题。下面简单介绍三种器件的测试技术和策略,分别是数模转换器、数字滤波器和数字分压器。数模转换器(DAC)与模数转换器相反,它是将输入端得到的数字代码转换成模拟输出电压。实际上所有前面讨论的线性和静态测试方法在这里都成立,将正弦波以器件代码的形式进行数字处理,然后输入数模转换器,再检测模拟输出的电压波形,由此可计算出动态参数(SNR、THD、SFDR和SINAD),对输出采用傅立叶变换可将其从时域转换成频域。除了线性误差是以理想状态计算的模拟输出电压为参考外,静态和线性参数(偏移、增益、非线性微分、非线性积分)都可以用模数转换器同样的方法计算。
数字滤波器顾名思义就是一个数字控制的滤波器,其特性参数(增益、频率相应、相位余量)都是数字化的,测试主要集中在器件对不同输入频率的动态输出响应上。测试器件的频率和响应增益时,用一个连续且含多个非重叠频率的多音调信号作为输入,对器件的输入输出信号分别进行采样和数字化处理,并对波形做傅立叶分析。比较每一输入频率的输入信号和输出信号幅值计算出增益,滤波器截止频率和-3dB点则是通过在这些点上选择3到4个输入频率,用数学方法从每一个滤波器响应频率的幅值推导这些点而计算出。数字滤波器相移的计算根据傅立叶转换提供的波形相位数据,计算方法是将输出频率的相移减去输入频率的相移,负相移表示正延时或输出波形滞后于输入波形,正相移表示输出波形在输入波形的前面,也即负延时。
数字分压器是数字控制的电阻箱,写入器件的命令和代码规定了输出电阻的大小。与数字滤波器不同,数字分压器混合信号测试集中在它的线性和静态特性,也即器件所有代码的理想阻值和最初或最终阻值的差异。偏移误差就是数字分压器设定为零的时候测得的阻值,增益误差则是满刻度时电阻值和理想值(或期望值)之差。非线性微分和非线性积分误差计算也可以用于数字分压器中,非线性微分误差指每个代码实际电阻值与理想阻值的偏移,非线性积分误差则是所有非线性微分阻值差异的累积值。
