宇航用高速模數轉換器B9243的測試與評估?

潘瀟雨 許偉達 劉 偉

（上海航天技術基礎研究所 上海 201611）

1 引言

模數轉換器（ADC）是一種將模擬信號輸入轉化為數字信號輸出的器件，在混合信號系統中占有重要的地位。作為模擬技術和數字技術的接口，廣泛運用于工業控制、通訊、消費電子、航空航天等領域，由于AD轉換器的性能直接影響了系統的整體性能，因此，對AD轉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，對AD轉換器動態參數有很高的要求，需要使用轉換速率較高的AD轉換器，如何快速、準確地對其進行測試，是一個急需解決的問題［1～7］。B9243是一款3M采樣率、單電源14位模數轉換器，采用CMOS工藝，實現了高速度和高精度，具有抗輻照性能，可用于新型戰術武器，雷達等裝備上，同時在高精度測試、高速圖像處理、高速網絡通信等領域有廣泛的應用［8］。

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

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

2 測試原理

2.1 電壓基準

B9243可以使用外部電壓基準，也可以產生1V和2.5V兩種內部電壓基準。如圖1所示，將REFLO管腳接地，內部電阻網絡提供一個2.5V的基準電壓，將REFLO管腳與VREF管腳相連，可產生1V的內部基準電壓，REFLO與模擬電源管腳VDDA相連，可使器件內部基準放大器失效，此時允許VREF由一個外部基準電壓源（DC30）驅動。

圖1 電壓基準選擇電路

由于內部參考源誤差和溫漂較大，對模擬轉換精度要求較高時，使用外部參考電壓可以得到更好的精度。此時管腳VREF上應該并聯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測試系統的DC30通道可精準地提供±30V范圍的電壓，通過DC30提供2.5V基準點壓。

2.2 引腳去耦

B9243內部電路使用的基準電壓出現在CAPT和CAPB上。為了在使用內部基準或外部基準時能正確工作，需要增加電容網絡來對這些引腳去耦。如圖2所示，這種電容網絡具有3個作用：1）與基準放大器共同作用，在一個大頻率范圍內產生低電源阻抗來驅動轉換器內部電路。2）為內部放大器提供必要的頻率補償。3）限制了來自基準源的噪聲影響。

圖2 去耦電容網絡

2.3 模擬、數字電源去耦

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

如圖3所示，模擬電源VDDA，數字電源VDDD，數字驅動電源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，數字電源接數字地DGND，器件的模擬地和數字地分開接，以防噪聲影響。VDDA管腳通過Micro FLEX設備的DC30通道供電，VDDD和VDDDR管腳可以通過繼電器選擇DC90通道供電，使得模擬電源和數字電源分離，可以進一步減小噪聲影響。CML引腳為模擬偏置點，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的內部時序電路采用時鐘信號的兩個邊沿來產生各種各樣的內部時序信號，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%區間內。由于B9243是高速器件，時鐘信號的“純度”會對理想數字化正弦波產生影響，從而對器件的轉換性能產生重要的影響。如圖5所示，轉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為近載波噪聲或寬帶噪聲，這兩種噪聲都取決于所使用的振蕩器和系統時鐘電路。即使把理想的模擬輸入信號提供給理想的ADC，時鐘雜質也會在輸出頻譜上有所表現。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 靜態參數測試

B9243的靜態參數包括積分非線性INL，差分非線性DNL，失調誤差，增益誤差。B9243的輸入模式可以配置成單端和差分兩種模式，在測試靜態參數時，選擇單端直流輸入模式。為了保證轉換器的性能，輸入信號必須經過運算放大器的驅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單端輸入運放驅動電路中，信號由放大器正相端輸入，經過單位增益驅動后輸入到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，在輸入端前各串聯一個50Ω電阻，如圖6所示。

圖6 靜態參數測試原理示意圖

轉換結果示意圖，如圖7所示，可以看出，當輸入一個0V～5V的斜線波信號，經過運放驅動后輸入到VINA中，采用3MSPS的時鐘信號控制轉換器工作，轉換器將信號轉換為0～16384的二進制碼。測得的差分非線性DNL和積分非線性INL如圖8所示，均在合格判據之內。B9243的理想零位轉換點應在低于理想零點1/2LSB的位置。第一個代碼轉換點的理想位置在高于負滿量程1/2LSB處，最后一個代碼轉換點的理想位置在低于正滿量程1/2LSB處，二者之差就是增益（gain）。根據實際的轉換結果，可由系統計算得到實際的零轉換點和理想零轉換點的誤差，即失調誤差（bioffset），實際增益與理想增益之差，即增益誤差（gain error）。

圖7 轉換結果示意圖

圖8 DNL與INL結果示意圖

4 動態參數測試

動態測試一直是ADC測試技術的一個難點，動態測試的方法有多種，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的動態參數信噪比（SNR），無雜散動態范圍（SFDR），信噪失真比（SINAD），總斜波失真（THD），有效位數（ENOB）。

圖9是動態參數測試線路示意圖，B9242工作在差分輸入模式下，可以獲得更好的THD、SFDR等動態性能，因此選擇差分輸入法進行動態測試，MicroFLEX設備可以由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置為2.5V。按照器件手冊要求，動態參數測試時，需滿足Vin=-0.5dBFS，即當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 動態參數測試線路示意圖

當在兩個輸入端輸入差分正弦波時得到的動態性能轉換結果，如圖10所示。當測試頻率為1.5MSPS時，采樣頻率3.002401MSPS，采樣點N=2500，采樣周期數M=1249，得到一個正弦波的輸出波型。經過傅立葉轉換后得到的頻譜圖，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，測得的參數滿足器件要求。

圖10 動態性能轉換結果示意圖

圖11 動態參數頻譜圖

此外，減小系統的噪聲引入可以有效地提升動態參數測試的準確度，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換，而是經過三個時鐘周期來完成數據處理，從第四個時鐘周期開始輸出數據，這是由流水線ADC的延遲特點決定的，因此要使器件在經過至少三個時鐘周期后，工作于穩定狀態下時，再進行數據采集，這也可以消除器件在不穩定工作狀態下產生的噪聲干擾。

5 結語

本文利用大規模混合信號測試系統對宇航用高速AD轉換器B9243的測試方法進行了介紹。從基準電壓的選擇，電源去耦設計，時鐘信號處理方法等方面進行了分析，對B9243的靜態性能和動態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果。對B9243的電性能進行準確測試，在保證電路系統和相關武器及航天型號的可靠性方面有積極的作用。