楊曉強(qiáng)，劉若琛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子第24 研究所，重慶 400060）

0 引言

逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、效率高等特點(diǎn)[1]，在醫(yī)療電子、可穿戴設(shè)備、便攜式儀表等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，是目前高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主流研究方向之一。

SAR型ADC主要由采樣保持電路、電容陣列、比較器、控制邏輯等模塊組成。其中電容陣列精度直接決定ADC產(chǎn)品的最終精度，是SAR型ADC設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵。但由于現(xiàn)代集成電路加工精度限制、寄生效應(yīng)等影響，批量流片加工的SAR型ADC通常無(wú)法達(dá)到12位以上直流精度[2]，需通過(guò)修調(diào)技術(shù)提升電容陣列匹配度，以達(dá)到提升直流精度的目的。

1 SAR型ADC工作原理

圖1為一款3位電容重分配SAR型ADC工作原理[3]。采樣階段開(kāi)關(guān)SC和SIN閉合，模擬輸入電壓AIN開(kāi)始對(duì)電容陣列充電；保持階段開(kāi)關(guān)SC和SIN斷開(kāi)，使比較器輸入負(fù)端電壓VA可以隨開(kāi)關(guān)SX的位置不同而變化。如果開(kāi)關(guān)S1-S4全部連接至地，則比較器輸入負(fù)端電壓VA等于-AIN；轉(zhuǎn)換階段首先將開(kāi)關(guān)S1連接至VREF，此時(shí)VA等于1/2*VREF-AIN，比較器做出MSB位判斷，隨后S1繼續(xù)連接到VREF或地取決于比較器輸出高電平或低電平。按上述過(guò)程依次完成BIT2和BIT3電容后轉(zhuǎn)換階段結(jié)束，開(kāi)關(guān)SC和SIN閉合，S1-S4連接至AIN，電路進(jìn)入下一個(gè)采樣階段。

圖1 電荷重分配SAR 型ADC 原理

2 非線性誤差修調(diào)原理和算法

電荷重分配單元中各權(quán)重位電容之間的匹配精度直接影響SAR型ADC的最終線性度[4]，因此，對(duì)電荷重分配SAR型ADC的修調(diào)即對(duì)電荷重分配單元中各權(quán)重位電容匹配度的調(diào)整。

本文針對(duì)的目標(biāo)器件為一款16位電荷重分配SAR型ADC。其電荷重分配單元原理如圖2所示。低十位權(quán)重電容陣列C0-C9通過(guò)橋接電容Cb與高六位權(quán)重電容陣列C10-C15連接。理想情況下，各權(quán)重電容值應(yīng)滿足以下等式：

圖2 16 位電荷重分配單元原理圖

當(dāng)工藝偏差導(dǎo)致某位權(quán)重電容CX偏大時(shí)，則該位的碼值權(quán)重降低，反之亦然。由于現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝可保證低十位電容陣列的匹配精度，故僅需要對(duì)高六位電容進(jìn)行修調(diào)。高六位可修調(diào)電容均采用多電容并聯(lián)設(shè)計(jì)，最小修調(diào)精度為0.5LSB，修調(diào)時(shí)根據(jù)需要對(duì)相應(yīng)電容進(jìn)行熔斷，以增大該位的權(quán)重。由于整體電容值只能減小，故其對(duì)應(yīng)的位權(quán)重只能增大。

ADC的積分非線性誤差（INL）曲線可直觀反映其各位的失配程度，因此可根據(jù)其INL曲線計(jì)算電荷重分配單元中各權(quán)重電容的失配度和相應(yīng)的修調(diào)值。每個(gè)主進(jìn)位碼值點(diǎn)處的INL突變對(duì)應(yīng)相應(yīng)電容的失配程度。其中碼值32768處對(duì)應(yīng)圖2中C15電容的失配程度；碼值16384處對(duì)應(yīng)圖2中C14電容的失配程度，以此類推。

理想情況下，所有電容均應(yīng)滿足式（1），電容C10-C15對(duì)應(yīng)輸出碼值的INL突變均為0。如表1所示，設(shè)C10-C15對(duì)應(yīng)輸出碼值的實(shí)測(cè)INL突變分別為I1-I6，則修調(diào)過(guò)程就是分別調(diào)整C10-C15位的權(quán)重，使I1-I6接近0。由于各電容值間的關(guān)系需滿足式（1），因此低電容位權(quán)重修調(diào)值還會(huì)影響其后所有高電容位權(quán)重的理論修調(diào)值。各電容位權(quán)重修調(diào)值計(jì)算如下：

表1 INL 與修調(diào)電容對(duì)應(yīng)關(guān)系

其中Tx為相應(yīng)修調(diào)電容位理論權(quán)重修調(diào)值，Ix為相應(yīng)輸出碼值處的INL突變。。

根據(jù)修調(diào)原理，電容值只能減小，其對(duì)應(yīng)的位權(quán)重只能增大。因此當(dāng)均為正時(shí)，可直接對(duì)相應(yīng)電容進(jìn)行修調(diào)。當(dāng)中的某一位為負(fù)時(shí)，還需分別增大其前面所有低電容位權(quán)重值，以使該位的理論權(quán)重修調(diào)值為0。當(dāng)（）為負(fù)時(shí)各電容位權(quán)重修調(diào)值計(jì)算如下：

3 基于ATE的系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

目標(biāo)器件修調(diào)過(guò)程所需硬件資源見(jiàn)表2所示，修調(diào)數(shù)據(jù)寫入接口與數(shù)據(jù)輸出引腳復(fù)用，未單獨(dú)列出。

表2 目標(biāo)器件修調(diào)過(guò)程所需硬件資源

自動(dòng)修調(diào)系統(tǒng)基于ADVANTEST V93000型自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)配置了256通道PS1600型1.6Gbps數(shù)字I/O單元[5]，4通道MCE型寬頻段音/視頻測(cè)量單元，64通道AVI64型±30V V/I測(cè)量單元等硬件資源，可滿足目標(biāo)器件修調(diào)需求。

由于各電容位權(quán)重修調(diào)值需根據(jù)未修調(diào)器件的INL曲線計(jì)算得出，而模擬輸入信號(hào)的波形和質(zhì)量直接影響INL曲線測(cè)量的精度和效率，因此模擬輸入信號(hào)的設(shè)計(jì)是自動(dòng)修調(diào)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

INL曲線測(cè)量一般采用碼密度直方圖法[6]，模擬輸入信號(hào)可采用三角波或正弦波。由于高速高精度正弦波較三角波更容易獲取，因此在高速ADC測(cè)試中一般采用正弦波作為模擬輸入信號(hào)[7]；但三角波作為模擬輸入信號(hào)時(shí)，可根據(jù)更少的采樣點(diǎn)數(shù)獲取更高的測(cè)量精度，因此在低速高精度ADC測(cè)試中一般采用三角波作為模擬輸入信號(hào)。目標(biāo)器件為一款16位精度250Ksps采樣率ADC，因此本設(shè)計(jì)中采用三角波作為模擬輸入信號(hào)。

本設(shè)計(jì)中三角波由AD5781產(chǎn)生。AD5781是ADI公司生產(chǎn)的一款18位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器[8]，該器件可以在18位精度下保證積分非線性誤差小于±0.5LSB，滿足目標(biāo)器件測(cè)量需求。AD5781使用單10V基準(zhǔn)輸入，輸出使用高精度運(yùn)算放大器配置為2倍增益，±10V輸出。輸出電壓后端連接RC濾波器濾除高頻噪聲。原理圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 模擬輸入信號(hào)產(chǎn)生部分原理圖

圖4 程序流程框圖

其余硬件設(shè)計(jì)部分可直接將目標(biāo)器件引腳接入相應(yīng)的ATE硬件資源，不再一一贅述。

程序流程框圖如圖5所示。第一次計(jì)算得出修調(diào)碼后對(duì)目標(biāo)器件進(jìn)行預(yù)修調(diào)，預(yù)修調(diào)操作不執(zhí)行熔絲熔斷程序，因此可多次修調(diào)。預(yù)修調(diào)后再次測(cè)試INL曲線，并根據(jù)此INL曲線判斷是否對(duì)修調(diào)代碼進(jìn)行微調(diào)。當(dāng)INL曲線達(dá)到指標(biāo)要求時(shí)執(zhí)行熔絲熔斷和固化程序，完成修調(diào)過(guò)程。

4 修調(diào)結(jié)果

修調(diào)前目標(biāo)器件INL曲線如圖6所示，其中X軸為輸出碼值，Y軸為對(duì)應(yīng)的INL數(shù)值。修調(diào)前INL曲線波動(dòng)較大，最大INL接近6 LSB。

圖6 修調(diào)后INL 曲線

經(jīng)自動(dòng)修調(diào)系統(tǒng)修調(diào)后的INL曲線如圖7所示。修調(diào)后INL曲線相對(duì)平坦，最大INL小于2 LSB，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了電荷重分配SAR型ADC的工作原理，提出了一種根據(jù)積分非線性誤差曲線計(jì)算電容陣列失配度及修調(diào)參數(shù)的方法。然后基于ADVANTEST V93000型自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種16位精度的電荷重分配SAR型ADC自動(dòng)修調(diào)系統(tǒng)，對(duì)目標(biāo)器件非線性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和修調(diào)，最終使目標(biāo)器件積分非線性誤差小于±3LSB，測(cè)試和修調(diào)時(shí)間小于1分鐘，具備批量生產(chǎn)能力。