宇航用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器B9243的測試與評估?

潘瀟雨 許偉達(dá) 劉 偉

（上海航天技術(shù)基礎(chǔ)研究所 上海 201611）

1 引言

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是一種將模擬信號輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出的器件，在混合信號系統(tǒng)中占有重要的地位。作為模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的接口，廣泛運(yùn)用于工業(yè)控制、通訊、消費(fèi)電子、航空航天等領(lǐng)域，由于AD轉(zhuǎn)換器的性能直接影響了系統(tǒng)的整體性能，因此，對AD轉(zhuǎn)換器的測試評估顯得尤為重要。尤其是一些輸入信號頻率和采樣速率很高的系統(tǒng)，對AD轉(zhuǎn)換器動態(tài)參數(shù)有很高的要求，需要使用轉(zhuǎn)換速率較高的AD轉(zhuǎn)換器，如何快速、準(zhǔn)確地對其進(jìn)行測試，是一個急需解決的問題［1～7］。B9243是一款3M采樣率、單電源14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用CMOS工藝，實(shí)現(xiàn)了高速度和高精度，具有抗輻照性能，可用于新型戰(zhàn)術(shù)武器，雷達(dá)等裝備上，同時在高精度測試、高速圖像處理、高速網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用［8］。

自動測試設(shè)備ATE（Automatic Test Equipment）是半導(dǎo)體集成電路常用的測試設(shè)備，其作用是檢測集成電路功能的完整性，能在計算機(jī)指令的控制下，自動完成某種測試任務(wù)。ATE包括核心測試部分和計算機(jī)控制部分，其中，核心測試部分根據(jù)測試方案的不同，使用不同的資源給被測器件DUT提供電信號并進(jìn)行測試，計算機(jī)控制部分則通過計算機(jī)語言，提供測試方案，對測試資源和測試信號進(jìn)行控制［9～12］。大規(guī)?；旌闲盘枩y試系統(tǒng) Micro FLEX是由Teradyne公司生產(chǎn)的高精度集成電路測試系統(tǒng)，多用于AD/DA轉(zhuǎn)換器等混合信號器件的測試。它在PC機(jī)上用VBT語言編寫測試程序，向被測器件提供電信號、數(shù)字測試向量和模擬測試波形，自動測量相應(yīng)輸出管腳上的響應(yīng)，判斷器件是否達(dá)到規(guī)范的功能和性能要求。

對AD轉(zhuǎn)換器性能進(jìn)行準(zhǔn)確的測試，在確保產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性方面有重要作用，特別在軍事和航天型號中，集成電路嚴(yán)格的檢測和篩選過程，對于控制質(zhì)量、保障型號裝備的可靠性至關(guān)重要。本文以B9243為例，介紹了使用MicroFLEX對高速AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測試的方法。

2 測試原理

2.1 電壓基準(zhǔn)

B9243可以使用外部電壓基準(zhǔn)，也可以產(chǎn)生1V和2.5V兩種內(nèi)部電壓基準(zhǔn)。如圖1所示，將REFLO管腳接地，內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)提供一個2.5V的基準(zhǔn)電壓，將REFLO管腳與VREF管腳相連，可產(chǎn)生1V的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，REFLO與模擬電源管腳VDDA相連，可使器件內(nèi)部基準(zhǔn)放大器失效，此時允許VREF由一個外部基準(zhǔn)電壓源（DC30）驅(qū)動。

圖1 電壓基準(zhǔn)選擇電路

由于內(nèi)部參考源誤差和溫漂較大，對模擬轉(zhuǎn)換精度要求較高時，使用外部參考電壓可以得到更好的精度。此時管腳VREF上應(yīng)該并聯(lián)2個電容與地相連，其中一個是10μF坦電容，另一個是0.1μF低自感陶瓷電容。FLEX測試系統(tǒng)的DC30通道可精準(zhǔn)地提供±30V范圍的電壓，通過DC30提供2.5V基準(zhǔn)點(diǎn)壓。

2.2 引腳去耦

B9243內(nèi)部電路使用的基準(zhǔn)電壓出現(xiàn)在CAPT和CAPB上。為了在使用內(nèi)部基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn)時能正確工作，需要增加電容網(wǎng)絡(luò)來對這些引腳去耦。如圖2所示，這種電容網(wǎng)絡(luò)具有3個作用：1）與基準(zhǔn)放大器共同作用，在一個大頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生低電源阻抗來驅(qū)動轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路。2）為內(nèi)部放大器提供必要的頻率補(bǔ)償。3）限制了來自基準(zhǔn)源的噪聲影響。

圖2 去耦電容網(wǎng)絡(luò)

2.3 模擬、數(shù)字電源去耦

電源引腳不是通常意義上的輸入，但實(shí)際上相當(dāng)于一個輸入，對噪聲和失真的敏感度很高，即使進(jìn)入電源引腳的信號實(shí)際上是直流，而且一般不會出現(xiàn)重復(fù)性波動，但直流偏置上仍然存在有定量的噪聲和失真。導(dǎo)致這種噪聲的原因可能是內(nèi)部因素，也可能是外部因素，結(jié)果會影響轉(zhuǎn)換器的性能。因此，對電源管腳進(jìn)行去耦處理非常重要。

如圖3所示，模擬電源VDDA，數(shù)字電源VDDD，數(shù)字驅(qū)動電源VDDDR分別在靠近芯片的地方用一個0.1μF的陶瓷電容接地。模擬電源接模擬地AGND，數(shù)字電源接數(shù)字地DGND，器件的模擬地和數(shù)字地分開接，以防噪聲影響。VDDA管腳通過Micro FLEX設(shè)備的DC30通道供電，VDDD和VDDDR管腳可以通過繼電器選擇DC90通道供電，使得模擬電源和數(shù)字電源分離，可以進(jìn)一步減小噪聲影響。CML引腳為模擬偏置點(diǎn)，也使用一個0.1μF陶瓷電容去耦。

圖3 電源管腳示意圖

2.4 時鐘信號CLK處理

B9243的內(nèi)部時序電路采用時鐘信號的兩個邊沿來產(chǎn)生各種各樣的內(nèi)部時序信號，如圖4所示，要求輸入滿足高電平時間tCH≥150ns，低電平時間tCL≥150ns的脈沖波型，時鐘信號的占空比在45%～55%區(qū)間內(nèi)。由于B9243是高速器件，時鐘信號的“純度”會對理想數(shù)字化正弦波產(chǎn)生影響，從而對器件的轉(zhuǎn)換性能產(chǎn)生重要的影響。如圖5所示，轉(zhuǎn)換器采樣時鐘信號中有噪聲或抖動，采樣時鐘上的抖動可能表現(xiàn)為近載波噪聲或?qū)拵г肼?，這兩種噪聲都取決于所使用的振蕩器和系統(tǒng)時鐘電路。即使把理想的模擬輸入信號提供給理想的ADC，時鐘雜質(zhì)也會在輸出頻譜上有所表現(xiàn)。因此，為了防止時鐘信號加雜噪聲，需要對輸入時鐘信號的引線做屏蔽處理［13～15］。

圖4 B9243內(nèi)部時序電路圖

圖5 采樣時鐘噪聲信號對輸出頻譜的影響

3 靜態(tài)參數(shù)測試

B9243的靜態(tài)參數(shù)包括積分非線性INL，差分非線性DNL，失調(diào)誤差，增益誤差。B9243的輸入模式可以配置成單端和差分兩種模式，在測試靜態(tài)參數(shù)時，選擇單端直流輸入模式。為了保證轉(zhuǎn)換器的性能，輸入信號必須經(jīng)過運(yùn)算放大器的驅(qū)動才能輸入到器件中。采用2.5V的參考電壓，輸入電壓的范圍為0V～5V。使用的Micro FLEX設(shè)備可以直接提供滿足B9243工作的輸入電壓，因此，只需讓輸入管腳VINA、VINB的輸入阻抗足夠低即可。B9243單端輸入運(yùn)放驅(qū)動電路中，信號由放大器正相端輸入，經(jīng)過單位增益驅(qū)動后輸入到VINA引腳，VINB連接參考電壓VREF，參考電壓由外部電源端提供2.5V，在輸入端前各串聯(lián)一個50Ω電阻，如圖6所示。

圖6 靜態(tài)參數(shù)測試原理示意圖

轉(zhuǎn)換結(jié)果示意圖，如圖7所示，可以看出，當(dāng)輸入一個0V～5V的斜線波信號，經(jīng)過運(yùn)放驅(qū)動后輸入到VINA中，采用3MSPS的時鐘信號控制轉(zhuǎn)換器工作，轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換為0～16384的二進(jìn)制碼。測得的差分非線性DNL和積分非線性INL如圖8所示，均在合格判據(jù)之內(nèi)。B9243的理想零位轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)在低于理想零點(diǎn)1/2LSB的位置。第一個代碼轉(zhuǎn)換點(diǎn)的理想位置在高于負(fù)滿量程1/2LSB處，最后一個代碼轉(zhuǎn)換點(diǎn)的理想位置在低于正滿量程1/2LSB處，二者之差就是增益（gain）。根據(jù)實(shí)際的轉(zhuǎn)換結(jié)果，可由系統(tǒng)計算得到實(shí)際的零轉(zhuǎn)換點(diǎn)和理想零轉(zhuǎn)換點(diǎn)的誤差，即失調(diào)誤差（bioffset），實(shí)際增益與理想增益之差，即增益誤差（gain error）。

圖7 轉(zhuǎn)換結(jié)果示意圖

圖8 DNL與INL結(jié)果示意圖

4 動態(tài)參數(shù)測試

動態(tài)測試一直是ADC測試技術(shù)的一個難點(diǎn)，動態(tài)測試的方法有多種，其中，快速傅利葉變換法（FFT）可以對ADC的動態(tài)性能在頻域上給出全局性描述，是目前最合適也是最常用的測試方法之一。本文就是使用MicroFLEX，利用FFT法測試B9243的動態(tài)參數(shù)信噪比（SNR），無雜散動態(tài)范圍（SFDR），信噪失真比（SINAD），總斜波失真（THD），有效位數(shù)（ENOB）。

圖9是動態(tài)參數(shù)測試線路示意圖，B9242工作在差分輸入模式下，可以獲得更好的THD、SFDR等動態(tài)性能，因此選擇差分輸入法進(jìn)行動態(tài)測試，MicroFLEX設(shè)備可以由BBAC Source端口直接提供滿足B9243工作的差分輸入信號。采用2.5V外部參考電壓，差分信號的共模值設(shè)置為2.5V。按照器件手冊要求，動態(tài)參數(shù)測試時，需滿足Vin=-0.5dBFS，即當(dāng)輸入的差分信號幅度為1.25V～3.75V時，滿足Log（Vin/2.5）=-0.5，按照此公式，輸入信號的幅度Vin=0.75。

圖9 動態(tài)參數(shù)測試線路示意圖

當(dāng)在兩個輸入端輸入差分正弦波時得到的動態(tài)性能轉(zhuǎn)換結(jié)果，如圖10所示。當(dāng)測試頻率為1.5MSPS時，采樣頻率3.002401MSPS，采樣點(diǎn)N=2500，采樣周期數(shù)M=1249，得到一個正弦波的輸出波型。經(jīng)過傅立葉轉(zhuǎn)換后得到的頻譜圖，如圖11所示，可以看到在1.5M位置是明顯的主信號波，諧波和噪聲較小，測得的參數(shù)滿足器件要求。

圖10 動態(tài)性能轉(zhuǎn)換結(jié)果示意圖

圖11 動態(tài)參數(shù)頻譜圖

此外，減小系統(tǒng)的噪聲引入可以有效地提升動態(tài)參數(shù)測試的準(zhǔn)確度，常見的方法包括對輸入線路做合適的阻抗匹配，Micro FLEX設(shè)備的模擬輸入端“BBAC Source”可以提供50Ω的阻抗匹配，能有效地提升器件的信噪比，對“BBAC Source”的參考電壓端“SRC REF”接地，也對減小噪聲，改善信噪比有明顯幫助。由B9243的時序圖可知，在輸入時鐘信號CLK時，器件并沒有馬上開始轉(zhuǎn)換，而是經(jīng)過三個時鐘周期來完成數(shù)據(jù)處理，從第四個時鐘周期開始輸出數(shù)據(jù)，這是由流水線ADC的延遲特點(diǎn)決定的，因此要使器件在經(jīng)過至少三個時鐘周期后，工作于穩(wěn)定狀態(tài)下時，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這也可以消除器件在不穩(wěn)定工作狀態(tài)下產(chǎn)生的噪聲干擾。

5 結(jié)語

本文利用大規(guī)?；旌闲盘枩y試系統(tǒng)對宇航用高速AD轉(zhuǎn)換器B9243的測試方法進(jìn)行了介紹。從基準(zhǔn)電壓的選擇，電源去耦設(shè)計，時鐘信號處理方法等方面進(jìn)行了分析，對B9243的靜態(tài)性能和動態(tài)性能的測試原理和測試方法作了闡述，并得到了良好的測試結(jié)果。對B9243的電性能進(jìn)行準(zhǔn)確測試，在保證電路系統(tǒng)和相關(guān)武器及航天型號的可靠性方面有積極的作用。