吴星华

    本文主要介绍高速ADC在成像应用中的微分非线(DNL)积积分非线(DNL)重要特性参数的测量装置与技术，并详细分析了新型逐次逼近转换器(SAC)架构测量装置的技术与应用特征。

    高速、高分辨率ADC成像应用中的精度参数

    近年来，具有优异静态和动态特性的高性能模拟-数字转换器(ADC)如雨后春笋层出无穷，这对于拓宽应用于通信和高速数据、图像采集的应用领域无疑是一埸及时雨，但伴随制造与使用这高速高分辨率ADC数据转换器时所带来的一个重要问题是“那如何测量这些性能的，应该采用什么设备或装置?”为此要讨论的是有关高速ADC两个重要特性，即微分非线性(DNL)和积分非线性(INL) 精度参数的测量技术。那为什么只是这二个参数呢?

    应该说对于应用于通信和高速数据采集的高性能数据转换器来讲，它的电特性参数不仅只是DNL和INL二个，但在高分辨率成像应用中即微分非线性(DNL)和积分非线性(INL) 精度误差却具有重要意义。据此，将聚焦于DNL和INL这二个参数测量装置与技术的研究.当然除非经常接触模拟-数字转换器(ADC)，否则会很陌生或并不熟悉这些参数的精确定义和重要性。故应先对微分非线性和积分非线性的定义进行一下简要介绍。

    关于微分非线性和积分非线性参数

    微分非线性精度参数-误差定义

    故名思义微分非线性就是对非线性(即台阶△)进行微分(即d△)，其在ADC中物理概念的微分非线性误差就是实际量化台阶与对应于一个LSB(最小有效位)的理想值之间的差异(见图1a所示)。

    对于一个理想的ADC，其微分非线性(即台阶为△)为DNL=0LSB(只有对常数微分才为0)，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(即△)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。微分非线性的数学表达式为：

    微分非线性 =|[(V数字输出代码+1—V数字输出代码)／V最小有效位-理想值-1]|

    其中，0<数字输出代码<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，V最小有效位-理想值

    ---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(SFDR)。需要强调的是，要保证没有丢码和单调函数，ADC的微分非线性(DN)L必须≤1LSB。

    对于图1a中的几点说明

    *过渡电压，就是是指输出数码在两个相邻代码间(例如图1a中00000001与00000010)发生跳变时输入电压。

    *对应于两个相邻过渡电压之间的某输入电压所产生的数字输出码(例如图1a中的00000010)以此定义为范围的中点(50%点)。如果过渡间隔的边界已知，该50%点很容易算出，过渡点的确定可以通过测量某一个区间，然后将该区间除以其间出现过的相邻代码的次数后得到。

    由于上述中涉及传输函数，因而值此对这一概念作解释。所谓传输函数，应该讲理想ADC的传输函数是阶梯状的，其中每一个台阶对应于某个特定的数字输出代码，而每一次阶跃代表两个相邻代码间的转变。必须确定这些阶跃所对应的输入电压，以便对ADC的许多特性参数进行规范.这项任务会极为复杂，尤其是对于高速转换器中充满噪声的过渡状态，以及那些接近于最终结果并变化缓慢的数字量。

    积分非线性精度参数-误差定义

    故名思义积分非线性就是对非线性(即台阶△)进行积分(即∮△)其在ADC中物理概念的积分非线性误差表示实际传输函数背离直线的程度，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。有两种定义经常被用到：“最佳直线INL”和“端点INL”(见图1b所示)：

    * 最佳直线INA定义中包含了关于失调(截距)和增益(斜率)误差的信息以及传输函数的位置。它定义了一条最接近ADC实际传输函数的直线。尽管没有明确定义直线的精确位置，但这种方法却具有最好的可重复性，能