高速模数转换器的INL和DNL特性测试

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