【導(dǎo)讀】類似很多半導(dǎo)體器件，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器并不像我們想象的那樣運(yùn)行的如何完美。因其固有限制的因素，使得轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤。對于工程師來說，量化高速模數(shù)轉(zhuǎn)換誤碼率的頻率和幅度相當(dāng)重要，本文就來解密高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤碼率。
高速或GSPS ADC(每秒千兆采樣ADC)相對稀疏出現(xiàn)的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤不僅造成其難以檢測，而且還使測量過程非常耗時(shí)。該持續(xù)時(shí)間通常超出毫秒范圍，達(dá)到幾小時(shí)、幾天、幾周甚至是幾個(gè)月。為了幫助消減這一耗時(shí)測試負(fù)擔(dān)，我們可以在一定“置信度”的確定性情況下估算誤碼率，而仍然保持結(jié)果的質(zhì)量。
比特誤碼率(BER)與轉(zhuǎn)換誤碼率(CER)
與串行或并行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸中比特誤碼率的數(shù)字等效值類似，轉(zhuǎn)換誤碼率是轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤數(shù)與樣本總數(shù)之比。但是，BER和CER之間有一些截然不同之處。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流中的BER測試采用長偽隨機(jī)序列，該序列可于發(fā)送器中在傳輸兩端使用常用種子值來啟動(dòng)。接收器預(yù)期將收到理想的傳輸。通過觀察接收數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)的差異，便可精確計(jì)算出BER。兩端之間偽隨機(jī)序列數(shù)據(jù)中的失配(基于種子值)即視為比特錯(cuò)誤。
與CER不同，誤差測定不像純數(shù)字比較那么簡單。由于ADC轉(zhuǎn)換過程中始終具有小的非線性，另外還存在系統(tǒng)噪聲和抖動(dòng)，因此并非總是能確定預(yù)期數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)之間的確切差異。相反，需要建立誤差閾值，用于確定轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤和具有容許預(yù)期噪聲的樣本之間的界限。這與數(shù)字BER不同，并不會(huì)對發(fā)送和接收的預(yù)期數(shù)據(jù)進(jìn)行確切比較。相反，首先必須量化樣本的誤差幅度，然后再確定是轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，還是在轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)的預(yù)期非線性范圍內(nèi)。
ADC后端數(shù)字接口的誤碼率必須低于轉(zhuǎn)換器的內(nèi)核CER，因此無法忽視。如果并非如此，那么數(shù)據(jù)輸出傳輸誤差將覆蓋CER并成為主要誤差來源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)際并不關(guān)心誤差來自ADC的哪一部分，但是，出于討論目的，我們將僅關(guān)注ADC轉(zhuǎn)換誤碼率。
亞穩(wěn)態(tài)
高速ADC中造成轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的一個(gè)常見原因是一種稱為亞穩(wěn)態(tài)的現(xiàn)象。高速ADC在將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的不同轉(zhuǎn)換級中往往會(huì)使用很多梯形比較器。如果比較器無法確定模擬輸入是高于還是低于其參考點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生可能導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤代碼的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)果。當(dāng)兩個(gè)比較器的輸入之差幅度非常小或?yàn)榱銜r(shí)，就可能發(fā)生這種情況，此時(shí)無法進(jìn)行正確比較。由于此錯(cuò)誤值會(huì)沿著流水線傳播，因此ADC可能產(chǎn)生重大的轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。
當(dāng)差分模擬輸入為相對較大的正值或負(fù)值時(shí)，比較器可以快速計(jì)算出差值并給出明確決定。當(dāng)差分值很小或?yàn)榱銜r(shí)，比較器做出決定所需的持續(xù)時(shí)間會(huì)長很多。如果在此決定點(diǎn)之前比較器輸出鎖存，則將產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)結(jié)果。
幸運(yùn)的是，有些設(shè)計(jì)方案可以減輕這個(gè)問題。首先，最顯而易見的方法是將比較器的不確定范圍設(shè)計(jì)地非常小，迫使比較器在可能的最大模擬輸入條件范圍內(nèi)做出準(zhǔn)確決定。不過，這可能造成電路功率和設(shè)計(jì)尺寸增加。
第二種方法是盡量延遲比較器采樣時(shí)間，給模擬輸入最長的時(shí)間建立至已知的比較器輸出值。不過，這種方法存在多個(gè)限制，因?yàn)檠舆t最長也只能持續(xù)到當(dāng)前采樣時(shí)間結(jié)束，而后比較器必須繼續(xù)處理下一次采樣。
第三種方法是采用智能錯(cuò)誤檢測和校正算法，該算法會(huì)對比較器在高速ADC轉(zhuǎn)換過程后續(xù)階段中引入的不確定性進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償。當(dāng)比較器未能在最大允許時(shí)間內(nèi)做出決定時(shí)，邏輯可檢測到該缺失。然后，此信息可被附加到相關(guān)樣本上，以便未來進(jìn)行內(nèi)部調(diào)整。識(shí)別出此警報(bào)時(shí)，可使用后處理步驟在樣本從轉(zhuǎn)換器輸出前糾正該錯(cuò)誤。這可以從圖2中的AD9625看出，它是ADI公司的一款12位、2.5 GSPS ADC。
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置信度
CER置信度(CL)是指在不精確到特定故障率的情況下對未來錯(cuò)誤的外推預(yù)期。這可減少針對給定CER獲取的樣本總數(shù)，但代價(jià)是不能保證100%的確定性。從數(shù)學(xué)角度來說，要達(dá)到絕對100%的確定性，需要取得無限持續(xù)時(shí)間內(nèi)的樣本。因此，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，95%的置信度已經(jīng)相當(dāng)接近已知值并且實(shí)現(xiàn)了不確定性和測量時(shí)間之間的平衡。如果將測試重復(fù)一百次，則有95次可以準(zhǔn)確識(shí)誤碼率。
有時(shí)我們會(huì)誤認(rèn)為一旦在測試期間檢測到錯(cuò)誤，該過程就會(huì)結(jié)束并找到最終的轉(zhuǎn)換誤碼率。這既不準(zhǔn)確也不完整。無論過程中是否有錯(cuò)誤，都可以測試轉(zhuǎn)換誤碼率及相關(guān)置信度。但是，如果在給定置信度下檢測到錯(cuò)誤，則與沒有錯(cuò)誤時(shí)的樣本數(shù)相比，必須增加測量的樣本數(shù)量。此影響如下圖3所示。
未檢測到錯(cuò)誤時(shí)，公式有所簡化，右邊的項(xiàng)等于零，結(jié)果僅取決于左邊的項(xiàng)。當(dāng)置信度為95%且未檢測到錯(cuò)誤時(shí)，所需的樣本數(shù)僅約為預(yù)期CER的倒數(shù)乘以3。精確到100%置信度時(shí)，即對于任何CER值都有CL = 1.0，從數(shù)學(xué)角度上需要獲取–ln(0)無窮大的無限樣本數(shù)(N)。
誤差閾值
高速ADC中的所有轉(zhuǎn)換誤差并非都“生而平等”。誤差幅度很關(guān)鍵，因?yàn)橛行┱`差絕對比其他誤差更重要。例如，一個(gè)或兩個(gè)最低有效位(LSB)誤差可能在系統(tǒng)的預(yù)期噪底之內(nèi)，甚至可能不會(huì)影響瞬時(shí)性能。但是，最高有效位(MSB)誤差，乃至滿量程誤差可能造成系統(tǒng)故障事件。因此，CER測試需要具有一種機(jī)制或閾值來確定轉(zhuǎn)換中誤差的嚴(yán)重程度。
轉(zhuǎn)換的誤差閾值應(yīng)該包括ADC的已知線性不足，以及時(shí)鐘抖動(dòng)和其他超出轉(zhuǎn)換器功能的系統(tǒng)噪聲。對于任何給定樣本，這些通常會(huì)累加為14位ADC的4或5個(gè)最低有效位(lsb)或16-32個(gè)代碼。根據(jù)ADC分辨率、系統(tǒng)性能和應(yīng)用的誤碼率要求，該值的大小可能略有不同。使用此誤差帶與理想值進(jìn)行比較后，超出此限值的樣本將被視為轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。在傳統(tǒng)視頻ADC中，此錯(cuò)誤被稱為“閃碼”，因?yàn)樗鼤?huì)在視頻屏幕上產(chǎn)生亮白色像素閃爍。
可接受的轉(zhuǎn)換器誤碼率很大程度上取決于信號處理系統(tǒng)和系統(tǒng)誤差容差要求。例如，后院移動(dòng)藍(lán)牙對講系統(tǒng)的用戶可以容忍幾個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)生幾次錯(cuò)誤，甚至不會(huì)察覺。對于航天衛(wèi)星上的任務(wù)關(guān)鍵型傳感器電路板，則可能需要將轉(zhuǎn)換器不確定性降至最低，否則衛(wèi)星可能從天上掉下來。退一步講，即使沒那么嚴(yán)重，但也可能發(fā)生極其糟糕的事情，例如電視接收信號很差。
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歷史上測量的GSPS ADC轉(zhuǎn)換誤碼率一般不會(huì)低于1e-14。對于1e-12的誤碼率，這意味著轉(zhuǎn)換器在1e-12(1萬億)個(gè)樣本內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。1e-15的誤碼率意味著轉(zhuǎn)換器在1e-15(1百萬的四次方)個(gè)樣本范圍內(nèi)不應(yīng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。雖然這些數(shù)字看起來很大，但憑借當(dāng)今先進(jìn)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的高采樣速率，對于CER測試仍然可以實(shí)現(xiàn)。但是，對于具有8 ns采樣速率的125 MSPS轉(zhuǎn)換器，1萬億次采樣將占用800秒(1e-12 × 8 ns)，約十三分鐘。1百萬的四次方次采樣將占用800,000秒(1e-15 ×8 ns)，也即9.24天。要在這些誤碼率中實(shí)現(xiàn)95%的置信度，則需要分別將這些采樣持續(xù)時(shí)間的每一個(gè)均乘以2.996。
CER測試
下面的簡化功能框圖給出了如何測試內(nèi)部ADC內(nèi)核的CER。在或接近ADC最大編碼速率下采樣時(shí)，可使用頻率相對較慢的正弦波作為模擬輸入。應(yīng)對模擬輸入信號進(jìn)行規(guī)劃，以便在忽視系統(tǒng)噪聲的情況下，兩個(gè)相鄰樣本之間的預(yù)期絕對差不大于1 LSB代碼。理想情況下，模擬輸入信號比滿量程稍大，以便運(yùn)用ADC的所有代碼。應(yīng)計(jì)算模擬輸入和編碼采樣速率，以便建立較長的一致性周期，而ADC不在同一代碼級別進(jìn)行一致采樣。
系統(tǒng)使用一個(gè)計(jì)數(shù)器來跟蹤兩個(gè)相鄰樣本之間的幅度差值超過閾值限值的情況，并將這種情況計(jì)數(shù)為轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤。該計(jì)數(shù)器必須保留整個(gè)測試過程中錯(cuò)誤的累加總數(shù)。為了保證系統(tǒng)按預(yù)期工作，還應(yīng)記錄誤差幅度與理想情況之間的關(guān)系。測試需要的時(shí)間將基于采樣速率、所需的測試轉(zhuǎn)換誤碼率和所需的置信度。
測量與仿真
在選擇具有較低CER的ADC時(shí)，系統(tǒng)工程師應(yīng)該能夠區(qū)分列出的實(shí)際可測規(guī)格與僅基于設(shè)計(jì)仿真例子的規(guī)格。例如，1 GSPS ADC在置信度為95%且無錯(cuò)誤條件下CER為1e-18的表述要么必須僅基于電路仿真，要么必須進(jìn)行近一個(gè)世紀(jì)長的連續(xù)測量。要將1e-18的CER精確到95% CL，即使使用相對較快的1 GSPS ADC且采樣速率為1 ns，也將消耗29.96億秒(2.996 × 1e18 × 1ns)，約95年。您希望自己的系統(tǒng)ADC轉(zhuǎn)換誤碼率單獨(dú)通過仿真的外推評估，還是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際測量的結(jié)果進(jìn)行指定?
與數(shù)字比特誤碼測試概念不同，即便是GSPS ADC轉(zhuǎn)換誤碼率測試，也需要很長時(shí)間才能得到精確測量結(jié)果。需要將CER測試的置信度設(shè)為小于100%，因?yàn)闊o法無限期地進(jìn)行測量。ADC采樣必須與閾值進(jìn)行比較，然后才能確定其作為真正轉(zhuǎn)換誤差的重要性。實(shí)時(shí)測試系統(tǒng)會(huì)比較相鄰樣本，以獲取超出閾值的嚴(yán)重偏離。
典型轉(zhuǎn)換器架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)一些系統(tǒng)可接受的測量轉(zhuǎn)換誤碼率，新的設(shè)計(jì)和錯(cuò)誤檢測算法正推動(dòng)限值實(shí)現(xiàn)更佳的性能。ADI的12位2.5 GSPS ADC AD9625分級比較型流水線內(nèi)核使用專有技術(shù)檢測流水線處理前期的ADC轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，然后處理和糾正后期的錯(cuò)誤。這在12位GSPS ADC上實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于1e-15、CL為95%的行業(yè)一流測量CER。
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