近期，許多廠商推出了具有出色的靜態和動態特性的高性能模數轉換器(ADC)。你或許會問
，“他們是如何測量這些性能的
，采用什麼設備?”。下麵的討論將聚焦於有關ADC兩個重要的精度參數的測量技術：積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)。

 

盡管INL和DNL對dui於yu應ying用yong在zai通tong信xin和he高gao速su數shu據ju采cai集ji係xi統tong的de高gao性xing能neng數shu據ju轉zhuan換huan器qi來lai講jiang不bu算suan是shi最zui重zhong要yao的de電dian氣qi特te性xing參can數shu，但dan它ta們men在zai高gao分fen辨bian率lv成cheng像xiang應ying用yong中zhong卻que具ju有you重zhong要yao意yi義yi。除chu非fei經jing常chang接jie觸chuADC，否則你會很容易忘記這些參數的確切定義和重要性。因此，下一節給出了這些定義的簡要回顧。

 

 

DNL誤差定義為實際量化台階與對應於1LSB的理想值之間的差異(見圖1a)。對於一個理想ADC，其微分非線性為DNL = 0LSB，也就是說每個模擬量化台階等於1LSB (1LSB = 其中為滿量程電壓，N是ADC的分辨率)，跳變值之間的間隔為精確的1LSB。若DNL誤差指標≤ 1LSB，就意味著傳輸函數具有保證的單調性，沒有丟碼。當一個ADC的數字量輸出隨著模擬輸入信號的增加而增加時(或保持不變)，就稱其具有單調性
，相應傳輸函數曲線的斜率沒有變號。DNL指標是在消除了靜態增益誤差的影響後得到的。具體定義如下：

 

 

是對應於數字輸出代碼D的輸入模擬量
，N是ADC分辨率是兩個相鄰代碼的理想間隔。較高數值的DNL增加了量化結果中的噪聲和寄生成分，限製了ADC的性能

，表現為有限的信號-噪聲比指標(SNR)和無雜散動態範圍指標(SFDR)。

 

圖1a. 要保證沒有丟碼和單調的轉移函數
，ADC的DNL必須小於1LSB。

 

INL誤差表示實際傳輸函數背離直線的程度，以LSB或滿量程的百分比(FSR)來度量。這樣


，INL誤差直接依賴於與之相比較的直線的選取。至少有兩個定義是常用的：“最佳直線INL”和“端點INL” (見圖1b)：

 

 

最佳直線方法通常被作為首選，因為它能產生比較好的結果。INL是在扣除了靜態失調和增益誤差後的測量結果，可用下式表示：

 

 

是數字輸出碼D對應的模擬輸入
，N是ADC的分辨率

，是對應於全零輸出碼的最低模擬輸入，是兩個相鄰代碼的理想間隔。

 

圖1b. 最佳直線法和端點法是定義ADC線性特性的兩種可行辦法

 

 

理想ADC的(de)轉(zhuan)移(yi)函(han)數(shu)是(shi)階(jie)梯(ti)狀(zhuang)的(de)
，其(qi)中(zhong)每(mei)一(yi)個(ge)台(tai)階(jie)對(dui)應(ying)於(yu)某(mou)個(ge)特(te)定(ding)的(de)數(shu)字(zi)輸(shu)出(chu)代(dai)碼(ma)，而(er)每(mei)一(yi)次(ci)階(jie)躍(yue)代(dai)表(biao)兩(liang)個(ge)相(xiang)鄰(lin)代(dai)碼(ma)間(jian)的(de)轉(zhuan)變(bian)。必(bi)須(xu)確(que)定(ding)這(zhe)些(xie)階(jie)躍(yue)所(suo)對(dui)應(ying)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)，以(yi)便(bian)對(dui)ADC的許多特性參數進行規範。這項任務會極為複雜，尤其是對於高速轉換器中充滿噪聲的過渡狀態，以及那些接近於最終結果
、並變化緩慢的數字量。

 

過渡狀態沒有在圖1b中顯著標出，而是作為一種概率函數表達，更為接近實際。當慢慢增加的輸入電壓經過過渡點時，ADC將一個接一個地輸出相鄰代碼。按照定義，在過渡點對應的輸入電壓下
，ADC輸出相鄰兩個代碼的幾率相等。

 

 

過guo渡du電dian壓ya是shi指zhi輸shu出chu數shu碼ma在zai兩liang個ge相xiang鄰lin代dai碼ma間jian發fa生sheng跳tiao變bian時shi輸shu入ru電dian壓ya。名ming義yi模mo擬ni值zhi
，對dui應ying於yu兩liang個ge相xiang鄰lin過guo渡du電dian壓ya之zhi間jian的de某mou輸shu入ru電dian壓ya所suo產chan生sheng的de數shu字zi輸shu出chu碼ma，定ding義yi為wei此ci範fan圍wei的de中zhong點dian(50%點)。如果過渡間隔的邊界已知，該50%點很容易算出。過渡點的確定可以通過測量某一個區間
，然後將該區間除以其間出現過的相鄰代碼的次數後得到。

 

 

INL和DNL可以利用準直流的斜坡電壓或低頻正弦波作為輸入來進行測量。一個簡單的直流(斜坡)測試可能需要一個邏輯分析儀，一個高精度DAC (可選)，一個可以掃描待測器件(DUT)輸入範圍的高精密直流源
，和一個可連接PC或X-Y繪圖儀的控製接口。

 

如果設備中包含有高精度DAC (精度比待測器件高得多)
，邏輯分析儀能直接處理ADC的輸出數據來監測失調和增益誤差。精密信號源產生一個測試電壓供給待測器件
，並使測試電壓從零刻度到滿刻度緩慢掃過ADC的輸入範圍。經由DAC重構後，從ADC輸入測試電壓中減去對應的DAC輸出電平
，就產生一個小的電壓差這個電壓可以用X-Y繪圖儀顯示出來，並且和INL

、DNL誤差聯係起來。量化電平的改變反映了微分非線性，而與零的偏移代表積分非線性。

 

 

另一種辦法也可以用來測試ADC的靜態線性參數，與前麵的辦法相似但更複雜一些
，這就是使用積分型模擬伺服環。這種方法通常是用於要求高精度測量、而對測量速度沒有要求的測試設備。

 

典型的模擬伺服環(見圖2)包含一個積分器和兩個電流源，連接於ADC輸入端。其中一個電流源向積分器注入電流
，另一個則吸出電流。數值比較器連接於ADC輸出並對兩個電流源進行控製。數值比較器的另一輸入由PC控製，後者可以對N位轉換器的個測試碼進行掃描。

 

圖2. 模擬積分伺服環的電路配置

 

如果環路反饋的極性正確的話，數值比較器就會驅使電流源“伺服”模mo擬ni輸shu入ru跟gen隨sui給gei定ding的de代dai碼ma跳tiao變bian。理li想xiang情qing況kuang下xia，這zhe將jiang在zai模mo擬ni輸shu入ru端duan產chan生sheng一yi個ge小xiao的de三san角jiao波bo。數shu值zhi比bi較jiao器qi控kong製zhi斜xie坡po信xin號hao的de方fang向xiang和he速su度du。在zai跟gen隨sui一yi次ci跳tiao變bian時shi積ji分fen器qi的de斜xie率lv必bi須xu快kuai，而er在zai采cai用yong精jing密mi數shu字zi電dian壓ya表biao(DVM)進行測量時，為了降低疊加的三角波過衝峰值，又要求積分器足夠慢。

 

在MAX108的INL/DNL測試中
，伺服板通過兩個連接器連接到評估板(見圖3)。第一個連接器建立起MAX108的主(或副)輸出端口和數值比較器的鎖存輸入口(P)的連接。第二個連接器將伺服環(數值比較器的Q端口)和用於生成參照碼的計算機連接起來。

 

圖3. 借助MAX108EVKIT和模擬積分伺服環
，該測試裝置可以確定MAX108的INL和DNL特性。

 

數值比較器的判決結果解碼後通過P > QOUTshuchuduanshuchubingsongwangjifenqidanyuan。meiyicidebijiaojieguodoudulidikongzhikaiguandeluojishuru，qudongjifendianluchanshengchumanzuxuyaodexiepodianya
，gonggeidaiceqijiandelianglushuru。zhezhongfangfajuyouqiyouyuexing
，danyeyouyixiebuzuzhichu：

 

 

將一個數字電壓表連接到模擬積分伺服環中

，就可測出INL/DNL誤差與輸出量的關係(圖4a和圖4b)。值得注意的是，INL與輸出碼關係曲線中的拋物線形或弓形曲線表明偶次諧波占主導地位
，若曲線呈“S狀”，則說明奇次諧波占主導地位。

 

圖4a. 該曲線給出了MAX108 ADC的典型積分非線性特性
，由模擬積分伺服環測得。

 

圖4b. 該曲線給出了MAX108 ADC的典型微分非線性特性，由模擬積分伺服環測得。

 

為了消除上述方法的缺陷，可以對伺服環中的積分單元加以改進
，代之以一個L位的逐次逼近寄存器(SAR) (用於捕獲待測器件的輸出碼)、一個L位DAC、以及一個簡單的平均值電路。再結合一個數值比較器
，該電路就組成了一個逐次逼近型轉換器結構(見圖5和後續的“SAR轉換器”部分)
，其中
，由數值比較器對DAC進行控製、讀取其輸出、並完成逐次逼近。同時
，DAC提供一個高分辨率的直流電平給被測N位ADC的輸入。在這個實例中，采用一個16位DAC將ADC校準至1/8LSB精度
，同時獲得最可信轉移曲線。

 

圖5. 用逐次逼近寄存器和DAC結構取代模擬伺服環中的積分器單元

 

當dang接jie近jin終zhong值zhi時shi

，由you於yu受shou到dao噪zao聲sheng的de影ying響xiang
，數shu值zhi比bi較jiao器qi會hui來lai回hui跳tiao動dong而er變bian得de不bu穩wen定ding，此ci時shi
，平ping均jun值zhi電dian路lu的de優you勢shi就jiu突tu顯xian出chu來lai了le。平ping均jun值zhi電dian路lu包bao含han兩liang個ge除chu法fa計ji數shu器qi。“參考”計數器具有個時鍾的周期，其中M是一個可編程的整數，用來控製計數周期(同時也決定了測量時間)。“數據”計數器僅在數值比較器輸出為高時遞增
，其周期等於前者的一半，即個時鍾。

 

參考計數器和數據計數器共同工作的效果是對高
、低電平的數量進行了平均
，結果被保存於一個觸發器，並進而傳送到SAR寄存器。這個過程重複16次(在本例中)後便產生了完整的輸出碼。和前麵的方法一樣，它也有優點和不足之處：

 

 

 

SAR轉換器的工作類似於舊時藥劑師的天平。一邊是未知的輸入采樣，另一邊是由SAR/DAC結構產生的首個砝碼(最高有效位，等於滿量程輸出的一半)。如果未知重量大於1/2FSR，則保留首個砝碼並再增加1/4FSR。否則
，用1/4FSR砝碼代之。

 

將這個步驟重複N次，從MSB到LSB，SAR轉換器就可得到所需要的輸出代碼。N是SAR結構中DAC的分辨率，每個砝碼代表1個二進位。

 

 

要測定ADC的動態非線性，可以對其施加一個滿度正弦輸入
，然後在其全功率輸入帶寬內測量轉換器的信噪比(SNR)。對於一個理想的N位轉換器，理論SNR (僅考慮量化噪聲
，無失真)如下：

 

SNR (單位為dB) = N×6.02 +1.76

 

這個公式包含了瞬變

、積分非線性和采樣時間的不確定性等效應的影響。除此之外的非線性成分可以通過測量恒頻輸入時的SNRlaihuode，bingkededaoyigesuishuruxinhaofududebianhuaguanxi。liru，shixinhaofudusaoguozhenggeshurufanwei，conglingdaomanliangchenghuozhefanzhi
，dangshurufudubijinzhuanhuanqimanliangchengshi，zhuanhuanshuchujiangyuxinhaoyuanfashengjiaodapianyi。yaoquedingchanshengzhezhongpianyi，paichushizhenheshizhongbuwendingxingyinsudeyuanyin
，kecaiyongpinpufenxiyifenxilianghuazaoshengyupinlvdeguanxi。

 

還有很多其他方法也可以用來測試各種高速和低速數據轉換器的靜態和動態INL、DNL。本文意在使讀者更好地理解典型工作特性(TOC)的產生
，所使用的工具和技術很簡單，但極為巧妙和精確。

 

 

MAX108數據資料, Rev. 1, 5/99, Maxim Integrated.

 

MAX108EVKIT數據資料, Rev. 0, 6/99, Maxim Integrated.

 

Analog Integrated Circuit Design, D. Johns & K. Martin, John Wiley & Sons Inc., 1997.

 

Low-Voltage/Low-Power Integrated Circuits and Systems, Low-Voltage Mixed-Signal Circuits, E. 

Sanchez-Sinencio & A. G. Andreou, IEEE Press Marketing, 1999.

 

Integrated Analog-to-Digital and Digital-to-Analog Converters, R. van de Plasche, Kluwer Academic Publishers, 1994.

 

本文來源於Maxim。