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ADC静态参数INL DNL的定义及其测试方法

时间:2010-09-16 20:46来源:www.ictest8.com 作者:ictest8 点击:

  近来,具有出色静态和动态特性的高性能模数转换器(ADC)层出不穷。本文将聚焦于有关ADC两个重要的精度参数的测量技术:积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)。对应用于通信和高速数据采集的高性能数据转换器来讲,尽管INL和DNL还不算是最重要的电特性参数,但在高分辨率成像应用中却具有重要意义。
一、INL和DNL的定义
  DNL误差定义为实际量化台阶与对应于一个LSB的理想值之间的差异。对于一个理想ADC,其微分非线性为DNL = 0LSB,也就是说每个模拟量化台阶等于1LSB(1LSB = VFSR/2N,其中VFSR为满量程电压,N是ADC的分辨率),跳变值之间的间隔为精确的1LSB。若DNL误差指标≤1LSB,就意味着传输函数具有保证的单调性,没有丢码。当一个ADC的数字量输出随着模拟输入信号的增加而增加时(或保持不变),就称其具有单调性,相应传输函数曲线的斜率没有变号。DNL指标是在消除了静态增益误差的影响后得到的,具体定义如下:

  DNL = |[(VD+1 - VD)/VLSB-IDEAL - 1]|,其中,0<2N-2、VD是对应于数字输出代码D的输入模拟量,N是ADC分辨率,VLSB-IDEAL是两个相邻代码的理想间隔。较高数值的DNL增加了量化结果中的噪声和寄生成分,限制了ADC的动态性能,表现为有限的信号-噪声比指标(SNR)和无寄生动态范围指标(FSDR)。INL误差表示实际传输函数偏离直线的程度,以LSB或满量程(FSR)的百分比来度量。这样,INL误差直接依赖于与之相比较的直线的选取。INL是在扣除了静态失调和增益误差后的测量结果,可用下式表示:

  INL = |[(VD-VZERO)/VLSB-IDEAL]-D|

  其中0<2N-1。VD是数字输出码D对应的模拟输入,N是ADC的分辨率,VZERO是对应于全零输出码的最低模拟输入,VLSB-IDEAL是两个相邻代码的理想间隔。
二、测试静态INL和DNL的一般装置
  INL和DNL可以利用准直流的斜坡电压或低频正弦波作为输入来进行测量。一个简单的直流(斜坡)测试可能需要一个逻辑分析仪,一个高精度DAC(可选),一个可以扫描待测器件(DUT)输入范围的高精密直流源,和一个可连接PC或X-Y绘图仪的控制接口。如果设备中包含有高精度DAC(精度比待测器件高得多),逻辑分析仪能直接处理ADC的输出数据来监测失调和增益误差。精密信号源产生一个测试电压供给待测器件,并使测试电压从零刻度到满刻度缓慢扫过ADC的输入范围。经由DAC重建后,从ADC输入测试电压中减去对应的DAC输出电平,就产生一个小的电压差(VDIFF),这个电压可以用X-Y绘图仪显示出来,并且和INL、DNL误差联系起来。量化电平的改变反映了微分非线性,而VDIFF与零的偏移代表积分非线性。
三、积分型模拟伺服环
  另一种办法也可以用来测试ADC的静态线性参数,与前面的办法相似但更复杂一些,这就是积分型模拟伺服环。这种方法通常是用于要求高精度测量、而对测量速度没有要求的测试设备,典型的模拟伺服环(图1)包含一个积分器和两个电流源,连接于ADC输入端。其中一个电流源向积分器注入电流,另一个则吸入电流。数值比较器连接于ADC输出并对两个电流源进行控制。数值比较器的另一输入由PC控制,后者可以对N位转换器的2N-1个测试码进行扫描。如果环路反馈的极性正确的话,数值比较器就会驱使电流源"伺服模拟输入跟随给定的代码跳变。理想情况下,这将在模拟输入端产生一个小的三角波。数值比较器控制斜升电压的方向和速度。在跟随一次跳变时积分器的斜率必须快,而在采用精密数字电压表(DVM)进行测量时,为了降低叠加的三角波过冲峰值,又要求积分器足够慢。在MAX108的INL/DNL测试中,伺服板通过两个连接器连接到评估板(图2)。第一个连接器建立起MAX108的主(或副)输出端口和数值比较器的锁存输入口(P)的连接。第二个连接器将伺服环(数值比较器的Q端口)和用于生成参照码的计算机连接起来。

  数值比较器的判决结果解码后通过P>QOUT输出端输出并送往积分器单元。每一次的比较结果都独立地控制开关的逻辑输入,驱动积分电路产生出满足需要的斜坡电压,供给待测器件的两路输入。这种方法具有其优越性,但也有一些不足之处:

  1.为了降低噪声,三角斜坡应该具有低的dV/dt。这有利于产生可重复的数码,但要获得精确测量需要很长的积分时间。
  2.正、负斜坡的斜率必须匹配方可达到50%点,并且必须对低电平三角波取平均后才可获得所需要的直流电平。
  3.在设计积分器时常常要求仔细选择积分电容。为了尽量减小由于电容器的"存储效应而造成的潜在误差,要求积分电容必须具有低介质吸收。
  4.测量精度正比于积分时间而反比于建立时间。

  将一个数字电压表连接到模拟积分伺服环中,就可测出INL/DNL误差与输出数字量的关系(图3a,3b)。值得注意的是,在INL与输出数字量的关系曲线中,抛物线形或弓形曲线表明偶次谐波占主导地位,若曲线呈"S状,则说明奇次谐波占优。

  为了消除上述方法的缺陷,可以对伺服环中的积分单元加以改进,代之以一个L位的逐次逼近寄存器(SAR)(用于捕获待测器件的数字输出码),和一个L位DAC,以及一个简单的平均值电路。再结合一个数值比较器,该电路就组成了一个逐次逼近型转换器结构(图4),其中,由数值比较器对DAC进行控制、读取其输出、并完成逐次逼近。同时,DAC提供一个高分辨率的直流电平给被测N位ADC的输入。

  数器具有2M个时钟的周期,其中M是一个可编程的整数,用来控制计数周期(同时也决定了测量时间)。"数据计数器仅在数值比较器输出为高时递增,其周期等于前者的一半,即2M-1个时钟。数据计数器只有当数值比较器的输出为高电平时才计数一次。两个计数器共同工作的效果是对高、低电平的数量进行了平均,结果被保存于一个触发器,并进而传送到SAR寄存器。这个过程重复16次(在本例中)后便产生了完整的数字输出码。和前面的方法一样,它也有优点和不足之处,优点在于测试装置的输入电压由数字量定义,这样可以简便地调节求取平均值的测试样点;逐次逼近方式提供给待测器件模拟输入的是一个直流电平,而非斜坡电压。不足之处在于,反馈环中的DAC限制了输入电压的分辨率。
四、INL和DNL的动态测试
  要测定ADC的动态非线性,可以对其施加一个满度正弦输入,然后在其全功率输入带宽内测量转换器的信噪比(SNR)。对于一个理想的N位转换器,理论SNR(仅考虑量化噪声,无失真)为:SNR (dB) = Nx6.02+1.76这个公式包含了瞬变、积分非线性和采样时间的不确定性等效应的影响。除此之外的非线性成分可以通过测量恒频输入时的SNR来获得,并可得到一个随输入信号幅度的变化关系。例如,使信号幅度扫过整个输入范围,从零到满量程或者反之,当输入幅度逼近转换器满量程时,转换输出将与信号源发生较大偏移。要确定产生这种偏移,排除失真和时钟不稳定性因素的原因,可采用频谱分析仪分析量化噪声与频率的关系

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