基于ATE 的高速DAC 射頻參數SFDR 測試技術優化

沈鍾杰，張一圣，孔 銳，王建超

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

0 引 言

數模轉換器（Digital to Analog Converter, DAC）是一種將輸入的數字信號按照一定的規則轉換成相應的模擬信號的電路，廣泛應用于計算機、數字通信、自動控制、數字信號處理和多媒體等領域[1-3]。DAC 屬于數模混合電路，相較于單純的數字電路或模擬電路，測試條件更為復雜，測試難度更加突出。對DAC 電路進行測試，既需要應對高速變化的數字信號，又需要采集高質量的模擬信息，測試所需信號的穩定性、精確度及抗干擾能力遠高于單純的數字或模擬電路[4-5]。測試所用的集成電路自動測試設備（ATE）是一款可擴展型平臺，融合了數字測試、模擬測試和射頻測試等資源，能夠滿足高速DAC 測試的需求[6-7]。

本文以一款高速數模轉換器電路DACXX 為測試對象，介紹了DAC 電路的工作原理和測試方法；然后通過優化DAC 數據碼、改進ATE 測試板卡PCB 等方法，優化了測試指標，使得SFDR 等高頻DAC 動態類參數指標接近或達到實裝測試值，從而提高ATE 機臺上測試高速DAC 射頻參數的可靠性。

1 電路介紹

DACXX 是一款低功耗、高動態范圍的四通道16 位數模轉換器（DAC），采樣率高達1.25 GSPS。如圖1 所示，DACXX 電路的A 通道和B 通道共用一組差分輸入管腳DAB[15:0]P/N，其中A 通道的輸入數據會在數據時鐘管腳DATACLKP/N 的上升沿被抓取，B 通道的輸入數據則會在DATACLKP/N 的下降沿被抓取。同理，C 通道和D 通道也是共用一組差分輸入管腳DCD[15:0]P/N。

圖1 DACXX 采樣時序圖

DACXX 是電流輸出型的DAC，共有4 路差分電流輸出：IOUTAP 和IOUTAN、IOUTBP 和IOUTBN、IOUTCP和IOUTCN、IOUTDP 和IOUTDN。互補形式的差分輸出電流能夠有效消除共模噪聲源（數字饋通、片上和PCB噪聲）、DC 偏置以及級次失真分量造成的不利影響，同時信號的輸出功率也將提升2 倍。

一對差分輸出電流IOUTP 和IOUTN 之間的關系表示為：

式中IOUTFS為滿幅電流，最高可達30 mA。

假定流入某一節點的電流符號為“-”，流出某一節點的電流符號為“+”，對于DACXX，輸出電流由IOUTP流入IOUTN，于是輸出電流P 端和N 端的大小可以表示為：

式中CODE 為DAC 數據輸入字的十進制表示。

當IOUTP 和IOUTN 驅動的負載電阻為RL時，IOUTP和IOUTN 兩端的電壓為：

2 參數介紹

無雜散動態范圍SFDR 是高速DAC 測試的一項重要射頻參數和性能指標，指載波頻率的RMS 幅度與次最大失真成分的RMS 值之比。SFDR 大小通常用dBc（相對于載波頻率幅度）或dBFS（相對于DAC 的滿量程范圍）衡量[8-9]。SFDR 參數的測試中，一般選擇正弦波作為載波信號。

表1 為DACXX 關鍵動態參數SFDR 的測試條件，其中fDAC指采樣頻率，fOUT指輸出正弦波信號的頻率，共測量了20 MHz、50 MHz、70 MHz 三種頻率下的SFDR 參數。

表1 DACXX 動態參數SFDR

3 測試方案設計

基于ATE 的SFDR 測試方案基本步驟為：

1）生成符合測試條件的測試碼，將生成的測試碼導入ATE 的軟件環境；

2）利用ATE 的采集模塊Digitizer 抓取電路的模擬輸出波形；

3）對抓取到的波形進行數據處理，計算得出SFDR。

但是對于類似DACXX 的高速DAC，ATE 自帶的采集模塊滿足不了采樣頻率的要求，需要外接頻譜儀抓取波形得到SFDR。

4 測試碼的生成

測試向量生成是集成電路測試的一個重要環節[10-11]。SFDR 測試碼的生成需要考慮4 個關鍵參數，即信號頻率Ft、采樣頻率Fs、采樣點數N以及信號周期數K。由于SFDR 的計算通常需要在頻域進行，所以先對模擬輸出波形進行快速傅里葉變換（FFT），將波形從時域轉換到頻域。為了獲得完美的頻譜波形，FFT 要求時域信號無限連續，即信號的起點和終點能夠相連，嚴絲合縫。采樣范圍內的信號周期數K需為整數，且滿足如下條件：

以fDAC=1.25 GSPS、fOUT=20 MHz 為例，此時，Fs=1 250 MHz，Ft=20 MHz，采樣點數N通常為2n，N越大，噪聲越小，此處設為65 536。可通過式（6）計算出周期數K=1 048.576。周期數K需為整數，且與采樣點數N互質，否則生成的測試波形中會存在冗余的重復點；其次采樣點數N為偶數，因此可將周期數K確定為奇數，即設定K=1 049，代入公式（6）反推Ft=20.008 MHz，由此4 個關鍵參數的值都確定了。

基于上述原理，本文設計了一款可以針對不同位數并行DAC、不同輸出路數、不同內插模式等各種條件自動生成數據輸入測試碼的軟件，軟件界面如圖2所示。該軟件能夠根據輸入參數自動生成DAC 測試所需數據，提高了DAC測試的效率，優化了DAC動態參數測試指標。

圖2 軟件界面

5 測試結果

圖3 為DACXX 數據手冊中SFDR 參數的典型頻譜圖，采樣頻率fDAC為1 250 MSPS，輸出信號頻率分別為20 MHz 和70 MHz，其典型值為73 dBc 和66 dBc。

圖3 數據手冊中不同頻率下SFDR 參數的頻譜圖

圖4 為DACXX 測試板卡DAC 動態參數測試的原理圖。一對差分輸出IOUTAP 和IOUTAN 先后通過濾波電容C1、C2，巴倫T1、變壓器T2以及SMA 頭S1連接頻譜儀，其中一對100 Ω 的下拉電阻用于將電流輸出轉換為電壓輸出。圖5 為ATE 測試板卡的PCB 圖。圖6 為ATE測試實際測得的輸出信號頻率在20 MHz 和70 MHz 下的頻譜圖。與圖3 相比，20 MHz 下的SFDR 為70.42 dBc（載波為0 dB），比典型值低了2.58 dBc；70 MHz 下的SFDR 為63 dBc，比典型值低了3 dBc。

圖4 DAC 動態參數測試原理圖

圖6 ATE 測試所得不同頻率下SFDR 參數的頻譜圖

由于DACXX 是四路輸出，考慮到信號隔離度和信號質量問題，對原先的PCB 進行如下改進：

1）將模擬信號和數字信號隔離；

2）DAC 信號按微帶線處理，減少stub；

3）高頻信號周圍加屏蔽地孔，四路DAC 輸出增加隔離度等。

首先需要將模擬信號和數字信號隔離。由于數字信號通常為矩形波，含有大量的諧波分量，若不把測試板中的模擬地和數字地從接入點分隔開，數字信號中的諧波將會對模擬信號的波形造成干擾，從而影響信號的完整性。為了避免數字信號耦合到模擬信號中，將模擬地和數字地單獨鋪銅，再在橋接處用0 Ω 電阻單點連接。0 Ω 電阻相當于狹窄的電流通路，在所有頻帶上都有衰減作用，能限制環路電流，抑制噪聲。

其次將DAC 的模擬輸出信號采用微帶線結構布線。微帶線是指由支在介質基片上的單一導體帶構成的微波傳輸線，由于其一面是板材介質，另一面是介電常數低的空氣，因此信號損耗小、傳輸速度快、抗干擾能力強，適用于對信號質量要求較高的高速信號。此外，微帶線的特性阻抗取決于線的厚度、寬度以及與地層的距離，易于控制，便于實現阻抗連續。

本文對DAC 的模擬信號采用微帶線結構表層走線，減少過孔和stub，同時使用微孔技術將過孔直接打在焊盤上，盡可能消除阻抗不連續的斷點，降低信號傳輸的損耗。

最后，通過在高頻信號周圍加屏蔽過孔帶增加四路DAC 輸出的隔離度。屏蔽過孔帶是指分布在信號線兩側的一連串接地過孔形成的屏蔽線，可以有效抑制信號間的串擾[12]。任一頻率的電磁波在測試板上傳輸的波長可以表示為：

式中：c 為真空中的光速；f為電磁波的頻率；εe為有效介電常數。當屏蔽地孔的間距≤1 20 時，可以顯著降低射頻信號EMC 的泄漏，防止高頻信號間的干擾。

在有限的空間內盡可能地將四路DAC 輸出信號間的距離增大，同時在信號兩側布上屏蔽過孔帶，增加四路DAC 輸出的隔離度。

圖7 為改進后ATE 測試板卡的PCB 圖，其提高了信號走線質量，減小了信號損耗[13]。

圖7 改進后的ATE 測試板卡PCB 圖

圖8 為PCB 改進后ATE 測試實際測得的輸出信號頻率在20 MHz 和70 MHz 下的頻譜圖。與圖6 相比，20 MHz 下的SFDR 為74.58 dBc（載波為0 dB），優化了4.16 dBc，比典型值高了1.58 dBc；70 MHz 下的SFDR 為68.74 dBc，優化了5.74 dBc，比典型值高了2.74 dBc。

圖8 PCB 改進后ATE 測試不同頻率下SFDR 參數的頻譜圖

6 結 語

高頻類DAC 在ATE 上開發時，動態類參數如SFDR 等測試指標往往低于實裝測試值。本文通過對ATE 測試板卡PCB 的改進、DAC 數據碼的優化以及測試程序時序上的調整等，大大優化了測試指標，使得SFDR 等高頻DAC 動態類參數指標接近或達到實裝測試值，提高了ATE 機臺上測試高速DAC 射頻參數的可靠性。

注：本文通訊作者為沈鍾杰。