中国技术支持中心 | 技术文章

优化高分辨率DAC的DC测量

PDF 下载全文(PDF,728 KB)

作者:Rob Whitehouse


在讨论一种具有22 bit线性度和存在1.4 μV最低有效位噪声的24 bit数模转换器(DAC)的时候,一位同事问到,“测试时应该如何测量微伏(μV)级的电压?”测量高分辨率直流(DC)电压是很复杂的。在测试过程中,时间就是金钱,所以这为快速、精确地完成测量提出了一项持久的挑战。

传统的最优化方法采用精密放大器电路和越来越快的测量器件,这些仍然是必需的,但是要想在最短的时间内完成最优的测量是不够的。建立时间和信号噪声之间的反比关系取决于驱动待测器件(DUT)电路的有效噪声带宽。DUT和测量仪器决定了这个系统,从而把建立时间和宽带噪声不可分割地联系在一起。

如果该电路带宽为零,那么其噪声也应为零,我们仅仅用一个样本就能进行测量。遗憾的是,这样的电路就永远不能达到稳定,那么我们也会得到100%的DC误差。因此过窄的带宽会造成很长的测量时间。

如果该电路的带宽为无限大,那么建立时间就应为零。遗憾的是,宽带噪声也为无限大,我们永远无法获得足够精度的测量。因此,快速放大器实际上会加快测量高分辨率电压所需的时间。

下面我们来探讨一下这种关系。

建立时间
在测试过程中,在一个阶跃电压作用之后 DUT输出必需在预定的误差带内达到稳定。假设一个单极点阶跃响应,建立时间直接取决于带宽:

其中:
Ts:建立时间
P:建立百分比
BW:–3 dB带宽

宽带噪声
每种电压测量都会从DUT、放大器和电阻器引入宽带噪声。放大器存在电压噪声和电流噪声,电阻器存在约翰逊噪声(又称热噪声)。宽带噪声规定以Vrms/√Hz为单位来表示:

以电压有效值(Vrms)为单位,并且假设服从高斯分布

其中
En :以Vrms/√Hz为单位的噪声
Etot:以Vrms为单位的总噪声
BWe:有效噪声带宽

因为滤波器的滚降系数不是无限陡峭的,噪声在-3 dB截止带宽外的影响就变小了。有效噪声带宽就是指这个区域内的噪声。单主极点的有效噪声带宽等于其-3 dB带宽的π/2倍。

允许测量误差
对于给定的宽带噪声和有效噪声带宽,允许测量误差决定了所需的样本数量。基本的统计给出对给定总噪声平均达到98%置信度所需的样本数量。平均值的这种变化表示对单个DC电压测量的可重复性。

其中:
Ve :允许测量误差,以V为单位 
C:Student T检验(对于98%置信度的平均值为1.6)
N:样本数量
Tm:采集一个样本的时间,以秒(s)单位
Tmeas    :测量时间,以s单位
BWn:有效噪声带宽

建立时间与测量时间
图1通过曲线示出了当建立时间和测量时间相等时呈现出的最优时序,并且给出了单极点条件的理想带宽。

图1. 总测量时间与有效模拟带宽之间的关系
图1. 总测量时间与有效模拟带宽之间的关系

图1的例子示出了在噪声带宽为40 nV/√Hz和测量误差为1 μV条件下的建立时间必须达到1 ppm。每个样本需要2 μs。如图所示,最佳的带宽介于10 kHz~20 kHz之间。

令Tmeas等于Ts,我们就可以从数字上得到最优的带宽:

采用上述公式,本例的最佳带宽为13.07 kHz。样本数量

为85。达到1 ppm的建立时间为168 μs。根据定义,总测量时间是建立时间的两倍,为336 μs。

其它考虑
进行高分辨率测量的问题相当多,这里的讨论绝对没有涵盖全部。下面的几点考虑在解决总体问题时很重要:
  1. 测量设备的建立时间:如果测量电路中的某个元件存在建立时间问题,那么会把它加至总测量时间上。转换速率的限制是一个很常见的原因。所以任何时候都要采用小信号建立时间进行计算。介质吸收会造成特别不利的影响,所以要谨慎地选择滤波器电容。
  2. 设置目标:设置目标很容易设置为很小的值,例如0.0001%,结果会显著增加测量时间。因为设置目标会对阶跃电压起作用,所以当阶跃电压为测量动态范围的分数倍时,应采用较大的目标值。针对不同的测量过程单独地设定带宽是有必要的。
  3. 设置误差电压:上述原则同样也适用于设置允许误差电压。通常会对所有的测量设置太小值。统计结果表明,如果采用1.6的Student T检验,在测量中所见的偏差应该在所需要时间误差的98%以内。
  4. 基准电压源:基准电压源可能会引入噪声,包括宽带噪声和1/f噪声。在DAC情况下,噪声可能依赖于具体的数码。
  5. 测量带宽噪声:采用一种高质量的频谱分析仪直接测量电路的宽带噪声。对于典型的电路中给定的多个噪声源,在纸上进行精确的计算是很冗长乏味的,而且很容易出错。
  6. 测量精度和分辨率:假设测量设备的精度和分辨率比实际测量中的允许误差小得多。一般地,测试工程操作要求测量设备的分辨率要比允许误差高一个数量级。
  7. 放大器:在信号链路中采用低噪声的运算放大器。保证低电阻值是一种很好的思想,但是也不能太低以至于引起放大器的电流驱动和散热等问题。
总结
测试成本要求对传统的低速、高分辨率测量进行优化。这种方法允许我们缩短测量时间并节约资金。它还可做为测试设计的一级近似。在设计周期的早期是让开发团队了解测试经费是否很高的最佳时机,例如,18 bit DAC的全部代码测试。半导体工业正处于关键时刻。未来的挑战需要高素质的测试工程师。

返回顶部

中国技术支持中心联络信息

免费热线电话:4006-100-006
模拟与其他线性产品:china.support@analog.com
嵌入式处理与DSP产品:processor.china@analog.com

沪ICP备09046653号
提供意见反馈 X
content here.
content here.

提供意见反馈

关闭