高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器RHF1201測試技術(shù)研究?

許偉達(dá) 徐導(dǎo)進(jìn) 劉 偉 潘瀟雨

（上海精密計(jì)量測試研究所 上海 201109）

1 引言

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。

本文介紹了高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器RHF1201特性，用Teradyne公司MicroFlex測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測試方法，以及測試開發(fā)過程中處理問題的方法。

2 RHF1201概述及特性

RHF1201是一款12位，采樣速率高達(dá)50Msps模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用CMOS技術(shù)0.25μm工藝的高性能，低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器。器件基于流線結(jié)構(gòu)內(nèi)部提供數(shù)字錯誤糾正技術(shù)保證杰出的靜態(tài)線性度。特別設(shè)計(jì)優(yōu)化速度與功耗比。內(nèi)部集成了含IP的跟蹤保持結(jié)構(gòu)使中頻采樣應(yīng)用高達(dá)150MHz。器件內(nèi)部提供電壓基準(zhǔn)，簡化外圍電路，三態(tài)結(jié)構(gòu)使數(shù)字輸出總線可以共享。輸出編碼提供二種格式，方便用戶選擇。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)有效時(shí)Data Ready信號可用作系統(tǒng)同步。

圖1 RHF1201框圖

RHF1201的特性：

1）抗輻照：300kRad（Si）TID；

2）Qml-V認(rèn)證；

3）在2.7V電壓溫度125°下單粒子功能中斷和鎖定閾值高達(dá)120Mev-cm2；

4）采樣速率500Ksps時(shí)功耗44mW，50Msps時(shí)100mW；

5）輸入信號15MHz，采樣率50Msps，無雜散動態(tài)范圍SFDR高達(dá)75dB；

6）輸出數(shù)字與2.5V/3.3V邏輯兼容。

應(yīng)用于數(shù)字通訊衛(wèi)星，空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，航空儀表，高能物理等。

3 測試設(shè)備性能滿足性

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。

本器件是在美國泰瑞達(dá)公司高端大規(guī)模混合信號測試系統(tǒng)MicroFlex進(jìn)行測試，該測試?yán)昧艘韵聨讉€儀表：

集成有20個VI儀表DC30，提供±30V，電流±200mA，通道數(shù)及能力都滿足本器件模擬電源的要求。

對教育者而言，愛是陪伴，愛是守護(hù)。靜待花兒慢慢開放，守候參天大樹的種子發(fā)芽、生長。用愛的胸懷和言行去培育心中有愛、健康向善的學(xué)生，這是我們的責(zé)任。

集成有4個VI儀表DC90，提供±90V，電流±2A，通道數(shù)及能力都滿足本器件數(shù)字電源的要求。并能夠隔離模擬電源與數(shù)字電源的相互干擾。

具有2個15MHz任意波信號發(fā)生器、2個15MHz波形數(shù)字化儀的BBAC中低頻交流信號儀表；本器件測試用到任意波信號發(fā)生器15MHz的極限值，對比15MHz正弦波性能基本與器件性能相當(dāng)，線路中間不能引入任何噪聲。

具有數(shù)據(jù)速率高達(dá)200MHz、每儀表48個通道的HSD200儀表，表面上滿足本器件測試所需要的通道數(shù)及性能，最重要的是數(shù)字通道能否作為本器件的時(shí)鐘源，這個也是本器件測試開發(fā)成功的關(guān)鍵。

4 模數(shù)轉(zhuǎn)換器RHF1201的測試方法設(shè)計(jì)

針對RHF1201這樣的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路，需要在50Msps采樣率下測試輸入15MHz正弦波的動態(tài)指標(biāo)信噪比，全諧波失真，無雜散動態(tài)范圍，信號與噪聲及諧波比，有效數(shù)據(jù)位。

4.1 時(shí)鐘源選擇

時(shí)鐘源是高速ADC測試中最為重要的因素。由于ADC采樣過程中需要持續(xù)抓大量數(shù)據(jù)，采樣時(shí)鐘需要保持在每次采樣過程中上升沿或下降沿足夠穩(wěn)定。時(shí)鐘信號的定時(shí)精度會直接影響高速ADC的動態(tài)性能，為了將這種影響最小化，ADC的時(shí)鐘源必須具有很低的定時(shí)抖動或相位噪聲［1，8～10］。如果在選擇時(shí)鐘信號時(shí)沒有考慮該因素，可能根本測量不到正確的動態(tài)指標(biāo)。理想時(shí)鐘總能在電平跳變之間保持精確的時(shí)間間隔，而在實(shí)際中，時(shí)鐘邊沿之間的時(shí)間間隔是不斷變化的，這一定時(shí)的不確定性結(jié)果，會使被采樣波形的信噪比隨數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程降低。

針對高速ADC測試是一項(xiàng)更具挑戰(zhàn)性的工作，其中采樣時(shí)鐘的Jitter是必須面對的技術(shù)難點(diǎn)，隨著輸入信號和采樣頻率的增大，ADC的采樣時(shí)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(xiàng)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2的推導(dǎo)。

圖2 抖動Jitter與噪聲Noise之間的關(guān)系［3，6］

時(shí)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。

4.2 輸入信號源

測試高速ADC，輸入信號的“純度”會影響數(shù)字輸出的性能。輸入信號中的耦合噪聲將轉(zhuǎn)換為輸出信號數(shù)字噪聲，如果輸入信號中有太多噪聲和失真，ADC性能實(shí)際上會被測試條件所掩蓋。輸入信號的精度和純度最終取決于器件的轉(zhuǎn)換分辨率，一般來說測試設(shè)備的精度要比被測器件高10倍以上。另外可以考慮在輸入端使用濾波器，除去輸入信號之外的噪聲和失真。信號發(fā)生器還需要生成多種頻率疊加的信號用來完成ADC的多頻率分辨相關(guān)的測試。同時(shí)為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確度，該高速信號發(fā)生器需要有遠(yuǎn)超待測試芯片的帶寬和極低的本地噪聲指標(biāo)［1～2，8～10］。

RHF1201器件測試動態(tài)參數(shù)已經(jīng)用到模擬儀表BBAC的極限，必須非常合理安排動態(tài)指標(biāo)測試的每一步：

第一，如何產(chǎn)生高質(zhì)量正弦波；本身信號頻率要求高達(dá)15MHz，在本案例中每個周期盡量多采用采樣點(diǎn)，提高輸入信號的質(zhì)量。

第二，如何按照Fs/Ft=N/M公式選擇具體值，保證頻譜不泄漏，采樣周期必須是整數(shù)要求。被測信號15MHz頻率是固定，采樣頻率50Msps也是固定不能變的。

第三，如何改善輸入信號通路的質(zhì)量，直流耦合、交流耦合、輸入引腳之間加跨接電容、輸入端增加50Ω抗匹配電阻。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，交流耦合比直流耦合可以提高2dB～3dB，輸出差分腳之間的跨接電容，根據(jù)輸出頻率要求適當(dāng)調(diào)整。

4.3 數(shù)字管腳信號處理

RHF1201器件測試首先是如何讓器件正常工作。RHF1201是高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，速度高達(dá)50Msps，如果器件輸出信號引腳直接連接到數(shù)字儀表HSD200，數(shù)字儀表讀不到正常數(shù)據(jù)，必須要采用50Ω阻抗匹配。否則輸出數(shù)字由于信號反射原因而毫無規(guī)律。原理見圖5。

圖3 數(shù)字通道50Ω阻抗終端示意圖

輸入模擬信號能夠正常轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生輸出對應(yīng)的數(shù)碼。并且用實(shí)驗(yàn)反復(fù)測試，其結(jié)果與分析的一致。

4.4 噪聲抑制的處理

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［3～6］，常見的方法包括對輸入線路做合適的阻抗匹配，Micro FLEX設(shè)備的模擬輸出端“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。

4.5 高性能低噪聲的測試電路設(shè)計(jì)

由于數(shù)字開關(guān)的瞬時(shí)變化主要由高頻成分構(gòu)成，趨膚效應(yīng)告訴我們邏輯變化產(chǎn)生的噪聲幾乎與地平面銅皮的總質(zhì)量無關(guān)，總表面面積比地平面在總體積更為重要，典型的充滿噪聲的數(shù)字電路與敏感的模擬電路之間的歐化會導(dǎo)致很差的性能，并且會變得無法隔離和補(bǔ)救［4～5］。解決方法是很好地將數(shù)字電路與模擬電路分開，由于所有引起的公共回流路徑會在ADC的模擬輸入“地”中引起漲落，從而在轉(zhuǎn)換結(jié)果中引入額外的噪聲，因此不應(yīng)將高功率的數(shù)字元器件放在任何線性元器件或模擬與混合元器件的電源線和電源平面之上或附近。

通常模擬和數(shù)字引線應(yīng)成90°交叉，以避免數(shù)字噪聲進(jìn)入模擬路徑，但是在高頻、超高頻系統(tǒng)中應(yīng)完全避免模擬和數(shù)字引線90°交叉［11］。輸入的時(shí)鐘線應(yīng)與所有其它引線（包括模擬和數(shù)字）隔離，應(yīng)該避免通?？杀唤邮艿?0°交叉。因?yàn)樵诟哳l下即使少許耦合也會引起問題，在高頻下，筆直的信號路徑具有最好的性能，模擬輸入應(yīng)與充滿噪聲的信號引線隔離以避免將寄生信號耦合到輸入中去，任何連接在轉(zhuǎn)換器輸入端和地面之間的外部元件（例如濾波電容），都應(yīng)被連接到模擬地平面中一個非常干凈的點(diǎn)上，任何模擬電路（輸入放大器、濾波等等）都應(yīng)該與任何數(shù)字元器件分開放置。

RHF1201經(jīng)過最終調(diào)試，動態(tài)指標(biāo)測試結(jié)果如下：

Number Site Test Name Pin ChannelLow Measured High Force Loc

94 0 SNR -1 59.0000 dB 60.5373 dB N/A 0.0000 0

95 0 THD -1 N/A -67.8839 dB-64.0000 dB 0.0000 0

96 0 SINAD -1 59.0000 dB 60.5373 dB N/A 0.0000 0

97 0 SFDR -1N/A -67.7479 dB-63.0000 dB 0.0000 0

98 0 ENOB -1 9.7000 9.7637 N/A 0.0000 0

5 結(jié)語

按照本文所采用的方法，成功解決了宇航用50Msps采樣率高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器RHF1201的測試，測試結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性好。確保該器件是經(jīng)過嚴(yán)格的檢測和篩選，有效控制器件質(zhì)量、保障型號裝備的可靠。