一种用于高速ADC INL/DNL测试的新方法

郭晓宇

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

一种用于高速ADC INL/DNL测试的新方法

郭晓宇

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

随着高速ADC器件的不断出现，传统的低速ADC器件测试评价方法已经越来越不适用。为从工程上实现高速ADC器件的测试评价，提供了一种高速ADC器件关键参数评价INL、DNL的新方法，详细分析了新算法的原理和正确性。目前这些算法已经大量应用到实际高速ADC器件的测试评价中去，解决了高速ADC器件难以评价的问题。

高速ADC；微分非线性；积分非线性

1　引言

随着当今电子信息技术的迅猛发展，作为数字与模拟接口电路的模数转换器（ADC）也在朝向高速高精度的方向不断发展。伴随着这一趋势的是对其测试方法和测试手段越来越高的要求。由于其高速高精度的特点，在实际的应用与测试中能影响其性能的因素也比能影响普通低速模数转换器的更多，使测试也变得更加困难，因此研究与探索高速ADC测试技术具有十分重要的现实意义。本文重点介绍的是一种应用于高速ADC生产测试中测试INL、DNL参数的算法，同时讨论一下在此算法ADC器件交流参数测试中会

2　ADC INL、DNL参数定义及测试原理

ADC的测试包括直流参数测试部分和动态参数测试部分。ADC的直流参数测试部分主要包括电压基准、积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）、增益误差（Gain Error）、偏移误差（Offset Error）等；ADC的动态参数测试部分主要包括输出数字信号的总谐波失真度（THD）、有效位数（ENOB）、无失真动态范围（SFDR）、信噪比（SNR）、互调失真（IMD）等。

尽管INL和DNL对于应用在通信和高速数据采集系统的高性能数据转换器来讲不算是最重要的电气特性参数，但它们在高分辨率成像应用中却具有重要意义。

2.1INL和DNL的定义

（1）积分非线性（INL）

积分非线性表示了ADC在所有的数值点上对应的理想值和真实值之间的误差，也就是输出数值偏离线性的距离。单位是LSB。

（2）微分非线性（DNL）

DNL误差定义为实际量化台阶与对应于1 LSB（1 LSB = VFSR/2N，其中VFSR为满量程电压，N是ADC的分辨率）的理想值之间的差异。理论上说，模数器件相邻两个数据之间，模拟量的差值都是一样的，就好比疏密均匀的尺子。但实际上，相邻两刻度之间的间距不可能都是相等的。这个差异就叫微分非线性DNL。

2.2测试原理

有两种方法用于测试INL和DNL参数，它们是边沿代码测试（code transition）和中心代码测试（code center），如图1所示。

图1　边沿代码测试

图2 中心代码测试

图1与图2表明了中心代码测试和边沿代码测试的不同。在图1中的黑点即代表代码转换边沿，图2的黑点表示代码中心。从图中可以看出，代码转换边沿可以直接测量得到，而由于量化不确定性代码中心不能直接测得，而是通过两个代码边缘的中点得到。

图3 中心代码测试与边沿代码测试INL对比

图3强调了中心代码测试的问题。图中ADC的转移函数显示量化台阶宽窄交错，但是连接台阶中形成的一条直线与理想直线重合，表明电路有接近完美的INL性能。而另一面，通过连接边沿形成的一条直线与理想直线比较，表明电路的INL实际值为0.5 LSB。

实际生产测试中，为了提高测试效率，不会分别寻找各个转换边沿，而是采用线性斜坡直方图的方法测试INL、DNL参数。在ADC模拟输入端输入一个超出FSR上升或下降的ramp波（线性斜坡），并用ADC采用固定的采样率采集，由于每个码都有相同的出现概率，理想情况下每个码发生的次数应该一样多（两端除外）。每个码发生的次数被画成一个直方图，代码出现次数多，说明其量化台阶宽，否则就窄。

让我们用MT表示采集到的总次数（两端次数除外），用h（n）表示每个码发生的次数，n=1，2，…2N-2。理想电路情况下每个码发生的次数h（n）THEORETICAL= MT/（2N-2）。如果用h（n）ACTUAL表示每个码实际发生的次数，则DNL可用下面的公式计算得到：

INL通过累加DNL得到：

3　采用sine波测试INL、DNL的方法

随着ADC电路采样频率的提高，传统ramp直方图测试方法越来越不适用了。主要原因是随着频率升高，ramp波发生器产生的非线性度也提高了，只能达到10位精度，不适合用来测试高速、高精度AD电路。

为了测试高速AD电路的INL、DNL特性，我们采用正弦波直方图测试方法。它的主要优点是高频正弦波比高频斜坡要容易产生得多，而且能更好地描述ADC的动态特性，同时可以和动态参数测试在同一个测试项中测试得到，减少测试时间。

正弦波测试INL、DNL方法也有一个缺点，就是由于正弦是一个不均匀的电压分布，在接近上下峰值时花大量的时间而在中间段花较少的时间，使得输出代码不能均匀分布，上下代码宽度远大于中间的代码宽度，因此一个理想ADC的正弦直方图成一个浴盆曲线。为了解决这个问题，需要采集巨大的样本数以及复杂的算法规格化正弦直方图以消除正弦波电压分布的不均匀性。

（1）采样数要求及计算公式

采样数取决于ADC电路的位数以及测试可信度要求。如果用NRECORD表示需要的采样数，表示置信度，β表示测试精度，采样数要求公式如下：

例如，一个10位AD电路，要求0.1 LSB的测试精度，90%的置信水平，要求的采样点数为：

（2）规格化算法公式

让我们用NS表示采集到的总次数（包括两端次数），用H（i）表示每个码发生的次数，i=0，2，…2N-1。理想电路情况下每个码发生的次数（即每个码发生的概率）为Hsinewave（i）（两端除外），可用以下公式得到：

其中，

（3）INL、DNL计算公式

最后，

4　使用sine波实际测试曲线介绍及分析

下图中示例为ADI公司一款10 bit ADC电路AD92XX，采样速率达到65 MSPS。图4为理想情况下sine波的直方图，通过计算得到，很像一个浴盆。图5为使用Teradyne公司UltraFlex混合信号测试机测试AD92XX电路在65 MHz采样率下采集2.4 MHz正弦波1M点得到的直方图。图6和图7分别为规格化后得到的DNL曲线和INL曲线。图8和图9为电路数据手册中的DNL和INL测试结果。图7和图9中INL曲线表现的很像一个锯齿波，这正是ADC电路采用分段数模转换的结果，在段和段的接缝上总是INL变化最大的地方。同样道理，图6和图8 中DNL曲线中向下的突起也是由于这个原因引起，且与INL曲线中的锯齿位置一一对应。分析图中数据，我们不难看出电路测试的INL指标在0.75 LSB，DNL指标为-0.6 LSB，其与国外手册测试值对比见表1。

表1　电路测试指标与国外手册对比

图4　理想电路Hsinewave（i）直方图

图5　实际电路H（i）直方图

图6　实测DNL结果

图7　实测INL结果

图8　ADI公司AD92XX电路数据手册DNL曲线

图9　ADI公司AD92XX电路数据手册INL曲线

将测试结果和AD电路数据手册中的图进行比较，可以看出两者十分相似，测试结果基本正确。但是，使用UltraFlex测试得到的结果比数据手册中的稍大一点，分析其主要原因如下：

（1）测试使用UltraFlex测试机UltraPin800数字通道作为时钟信号，抖动达到3 ps，对测试结果有很大影响，最好使用抖动小于0.1 ps的时钟源。

（2）测试使用UltraFlex测试机TurboAC信号源作为正弦信号发生器，使用其内部6 MHz滤波器滤波，许多生成的谐波成分滤除不干净，信号纯度不够，影响测试结果，最好使用专用窄带滤波器，效果更好。

（3）采样点数刚好达到要求，如果把采样点数提高到4 M个点左右，效果会更好。

（4）要像正弦波测试SNR一样，为了避免频谱泄露，即重复采样，需要设置采样点数和正弦波频率，使得ADC采集到整数个周期的正弦波。

5　结束语

本文提出的使用sine波直方图的方法能够高效地测试高速ADC电路的INL、DNL参数。和使用ramp波直方图测试的方法不同，此测试方法不仅能够在动态状况下测试高速ADC电路的静态参数，而且能够在ADC电路最高采样率下测试INL、DNL参数，更适合高效、全面的评估电路性能。实际使用Teradyne公司UltraFlex测试机测试ADI公司AD92XX电路证明了该方法的正确性和可行性。这为高速ADC电路在AWG生成ramp波精度有限的情况下生产测试INL、DNL参数提供了一种有效方法，具有很强的工程实用价值。

［1］ UltraFLEX User Manuals［P］. Teradyne Technology，Inc.

［2］ Mark Burns. An Introduction to Mixed-Signal IC Test and Measurement［M］. Oxford University Press，Inc.

［3］ Walt Kester. ANALOG-DIGITAL CONVERSION［P］. Analog Devices.

Research on Testing Technology of High Speed ADC

GUO Xiaoyu
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute， Wuxi 214035， China）

With the emergence of high speed ADC， the traditional technology of low speed ADC testing isn't fit for the new high speed ADC. In order to evaluate high speed ADC， this paper focuses on a new technology for new ADC's testing INL and DNL . In this paper the new technology is described and proved clearly. The conception and technology of ADC testing and the source of UltraFlex system are described. Now this technology has been used in actual high speed ADC's testing.

high speed ADC testing； INL； DNL出现的问题、原因和解决办法。

TN407

A

1681-1070（2015）12-0012-04

郭晓宇（1979—），男，湖北武汉人，毕业于武汉大学电气工程学院，目前工作于中国电子科技集团公司第58研究所，主要从事集成电路测试工作。

2015-9-14