第五章ADC 静态电参数测试（一）翻译整理：李雷本文要点：ADC 的电参数定义ADC 电参数测试特有的难点以及解决这些难题的技术ADC 线性度测试的各类方法ADC 数据规范（Data Sheet）样例快速测试ADC 的条件和技巧用于ADC 静态电参数测试的典型系统硬件配置关键词解释失调误差 Eo（Offset Error）：转换特性曲线的实际起始值与理想起始值（零值）的偏差。

增益误差E G（Gain Error）：转换特性曲线的实际斜率与理想斜率的偏差。

（在有些资料上增益误差又称为满刻度误差）线性误差Er（Linearity Error）：转换特性曲线与最佳拟合直线间的最大偏差。

（NS 公司定义）或者用：准确度E A（Accuracy）：转换特性曲线与理想转换特性曲线的最大偏差（AD 公司定义）。

信噪比(SNR): 基频能量和噪声频谱能量的比值。

一、ADC 静态电参数定义及测试简介模拟/数字转换器（ADC）是最为常见的混合信号架构器件。

ADC是一种连接现实模拟世界和快速信号处理数字世界的接口。

电压型ADC（本文讨论）输入电压量并通过其特有的功能输出与之相对应的数字代码。

ADC的输出代码可以有多种编码技术（如：二进制补码，自然二进制码等）。

测试ADC 器件的关键是要认识到模/数转换器“多对一”的本质。

也就是说，ADC 的多个不同的输入电压对应一个固定的输出数字代码，因此测试ADC 有别于测试其它传统的模拟或数字器件（施加输入激励，测试输出响应）。

对于 ADC，我们必须找到引起输出改变的特定的输入值，并且利用这些特殊的输入值计算出ADC 的静态电参数（如：失调误差、增益误差，积分非线性等）。

本章主要介绍ADC 静态电参数的定义以及如何测试它们。

Figure5.1：Analog-to-Digital Conversion Process. An ADC receives an analog input and outputs the digital codes that most closely represents then input magnitude relative to full scale.1．ADC 的静态电参数规范ADC的静态电参数主要验证器件的输入-输出转换曲线符合设计（理想）曲线的程度。

如Figure5.2 所示：一个线性的ADC 转换特性是一系列沿着一条理想直线的阶梯波形；对于一个理想的ADC 器件，一个特定的输出代码对应1LSB 宽度的输入电压。

Figure5.2 ： ADC Linearity Summary. The concept of code widths,code transitions,and LSB size are illustrated理想ADC 在 1 个LSB 范围内的任何输入电压只对应一个唯一的输出数字代码，也就是说1LSB 范围内的无限多的输入电压对应的输出代码是稳定不变的。

重要知识点：ADC 输入-输出对应关系为“线对点”，而DAC 和大多数模拟器件的输入-输出的对应关系为“点对点”。

因此通过对被测试ADC 的输入施加固定输入电压并检测输出代码的传统测试方法来精确测试ADC 器件的静态参数是不可能的。

结论：施加“单一”输入电压并监测输出代码的传统方法无法精确测试ADC 的静态电参数。

跳变电压（Transition Voltages）有一定电路测试基础的技术人员都知道，大多数模拟器件的电参数测试都通过对DUT 的输入端施加合适的激励，随后测试输出响应来完成。

既然ADC 器件的输出为数字代码，那么就没有响应的输出电压值的测量，而ADC 器件独有的“多对一”特性，又使得其无法按传统方式进行测试；因此必须找到特定的输入电压值，在该输入电压的激励下使得ADC 的输出完成在相邻代码间的跳变。

这个特定的输入电压值就是跳变电压（有些资料也称为跃迁电压）。

跳变点提供了模拟输入与数字输出代码两者之间唯一的、精确的相互联系，而ADC 的各个跳变电压也决定的ADC 的线性度。

测试ADC 的基本方法就是对器件的输入端施加连续变化的模拟电压激励，监测器件的输出代码，一旦输出代码发生跳变，立即记录相应的输入电压值。

这种测试方法的概念类似与数字器件的“match mode”测试。

需要特别注意的是两个特殊的输入跳变电压，一个被称为零刻度跳变电压点（V ZST简称：零刻度跳变点），一个被称为满刻度跳变点（V FST）。

这两个跳变点对应的模拟输入电压被用于计算ADC的满刻度范围（FSR）和最小有效位（LSB）。

最小有效位值（LSB SIZE）ADC 器件理想的LSB 通过器件技术规范中的满刻度范围（FSR）除以器件的总输出代码数计算得到的。

LSB IDEAL = FSR/2bits （5.1）然而在测试具体器件时，平均的LSB值是由该器件的“主体”实际转换曲线计算得出的。

具体的说：被测ADC的平均LSB值是由V FST和V ZST两个跳变点之间的电压范围除以这两个跳变点之间的输出代码数得出。

如Figure5.2 所示：不使用整个满刻度范围（FSR）来计算LSB的原因是，满刻度范围不能直接测量得出（不同于DAC）；在转换曲线中能够直接测试得出的最大范围是两个端点V ZST和V FST。

重要知识点：一个ADC器件的转换曲线中总共有2bits-1 个跳变点。

在第一个跳变点（V ZST）和最后一个跳变点(V FST)之间ADC器件共有2bits-2 个输出代码。

综上所述，每个被测ADC的平均LSB可由公式5.2 计算得出。

由于每个器件的V ZST和V FST是各不相同的，我们称被测器件的平均LSB为LSB DUT。

LSB DUT=(V FST-V ZST)/(2bits-2) （5.2）例：一个12 位的ADC 的V ZST=2.4mV ，V FST=9996.4mV ，那么该器件的LSB DUT=(9996.4-2.4)/(212-2)=9994mV/4094=2.441133mV 。

同时可知该ADC 共有212（4096）个输出代码，输出代码范围是0---（212-1）（0---4095）。

满刻度范围（Full Scale Range）如Figure5.2 所示，满刻度范围（FSR）是施加到ADC器件模拟输入端的最大输入信号范围。

如同LSB一样，理想的ADC满刻度范围（FS RIDEAL）可在器件的详细产品规范中找到，不能够直接测量得出。

前面讲到，ADC器件只能测试到跳变点电压（唯一和输出代码精确对应），而且满刻度范围（FSR）不能直接测试得到，那么FSR值必须通过计算得出。

一个ADC器件的V FST和V ZST之间有2bits-2 个LSB值，也就是说比满刻度范围少2 个LSB。

重要知识点：ADC 器件的FSR 值可由该器件VFST 与VZST 之间的电压差加2 个LSB值计算得出。

FSR DUT=(V FST-V ZST)+2*LSB DUT （5.3）上例中：FSR DUT=(9996.4-2.4)mV+2*LSB DUT=9994mV+2*2.441133mV=9998.882266mV。

需要注意的是：ADC 器件的FSR 参数可以被定义为电压、电流，可以是正值、负值、正负值。

ADC 器件的模拟输入范围不穿越零点的被称为单极性，穿越零点的称为双极性。

失调误差电压（Offset Error Voltage）如Figure5.2 所示，失调误差电压（V OFFSET）是指理想的零点电压值和实际计算得到的零点电压值之间的偏差。

在实际测试中可以定义为ADC的第一个数字输出跳变点（V ZST）电压减去1/2LSB DUT再减去理想的零点值。

重要知识点：V ZST-0.5LSB使得ADC实际转换曲线的起点位于模拟零刻度输入的“代码中心。

V OFFSET=(V ZST-0.5LSB)-Ideal Zero Value （5.4）Offset Error Voltage 通常规格化为其它的单位。

器件规范中常见的单位有%FS，ppm，LSB。

表4.2 说明了失调误差如何由电压转换为其它单位。

Table5.1: Normalizing Offset Error Voltage Measurements增益误差电压（Gain Error）增益误差电压的定义是被测ADC 的实际满刻度电压范围（由公式5.3 计算得出）减去理想的满刻度电压范围（参数规范中给出），如公式5.5 所示：Gain Error Voltage=[(V FST-V ZST)+2*LSB]-FSR IDEAL (5.5)增益差同失差一，可以被格化其他位（算公式同表5.1）。

误电压调误电压样规为单换另外增益误差有时被规格化为增益误差电压与理想满刻度电压范围的比值，如公式5.6 所示：Gain Error Voltage=[(V FST-V ZST)+2*LSB]/FSR IDEAL -1 (5.6)Figure 5.3:Gain error for an ADC and a DAC.代码宽度（Code Width）参照Figure 5.2 可知：ADC 第N 位的代码宽度可由公式（5.7）计算得出。

Code Width(N)=V(N+1)-V(N) （5.7）这里V(N+1)表示输出代码由N跳变为N+1 时所对应的模拟输入电压，V(N)表示输出代码由N-1 跳变为N时所对应的模拟输入电压。

V(N+1)减去V(N)就表示输出代码N的代码宽度。

由Figure 5.2 可知输出为全“0”的代码宽度和输出为全“1”代码宽度无法直接测试得出。

这一点以后在直方图测试INL和DNL电参数的测试方法中详细叙述。

重要知识点：测试ADC 器件的各个代码宽度是计算该ADC 的DNL 电参数的关键步骤。

差分线性误差（DNL or DNE）Figure 5.4:DNL for an ADC and a DAC.如同DAC 一样，ADC 的差分线性误差可被看作测试“小信号”或相邻转化步进的线性误差。

前文讲到ADC 的DNL 电参数测试要求代码宽度的测试，也就是要求对相邻跳变点对应的模拟输入电压的压差进行测试。

如Figure5.4 所示：ADC 第N 位输出代码对应的DNL(N)等于第N 位的代码宽度减去被测ADC 的平均LSB 电压值。

大多数ADC 器件的传输特性曲线为线性的，即输出代码和输入电压的比率为恒定的。

因此ADC 器件的传输特性可以用直线方程y=mx+b 来表示。

DNL[N]= Code Width(N)-LSB DUT （5.8）差分非线性电参数是ADC 器件的关键静态参数。

测试DNL 时，首先通过公式（5.2）测定该器件的实际LSB 值。