使用​PXI、​LabVIEW​和​DIAdem​对​模数​转换​器​执行​自动​化​特性​分析

Manfred Pauritsch,​应用​科技​大学​(University of Applied Sciences)

“PXI​帮助​我们​显著​提高​了​模数​转换​器​特性​分析​的​质量,​并​通过​节省​宝贵​的​测试​开发​时间​来​降低​测试​成本”

- Pauritsch,​应用​科技​大学​(University of Applied Sciences)

挑战:

用​全​自动​化​测量​系统​取代​现有​的​台式​设备,​对​模数​转换​器​(ADC)​进行​精确​的​特性​分析,​从而​提高​质量、​降低​成本​并​缩短​测试​开发​时间。

解决​方案:

创建​一个​基于​PXI​器件​的​测量​系统,​能够​执行​包括​积分​非线性​(INL)、​微分​非线性​(DNL)​以及​信​噪​失真​比​(SINAD)​在内​的​各种​测量,​旨​在​对​模数​转换​器​(ADC)​进行​特性​分析,​该​模数​转换​器​来自​艾​迈​斯​半导体​生产​的​标准​线性​(SLI)​产品​线。

作者:

Manfred Pauritsch - 应用​科技​大学​(University of Applied Sciences)
​Wolfgang Koren - 艾​迈​斯​半导体

 

在​我们​将​集成​电路​投入​全面​生产​之前,​必须​使用​足够​数量​的​样品​对​集成​电路​在​给​定​温度​范围​内的​性能​进行​全面​测试。​通过​进行​此​过程,​我们​才能​向​客户​交付​高​质量​的​零件。

 

艾​迈​斯​半导体​是​设计​和​制造​高性能​模拟​集成​电路​(IC)​的​全球​领导​者。  借助​于​自身​的​专业​知识,​我们​为​全球​通信、​工业、​医疗​和​汽车​市场​提供​低​功耗​和​高​精度​的​一流​产品。​开发​并​生产​业界​领先​的​模拟​半导体​组​件,​包括​高性能​标准​产品​和​定制​解决​方案。

 

我们​与​奥地利​格拉​茨​应用​科技​大学​自动​化​系统​专业​合作,​共同​开发​了​一个​基于​PXI​的​全​自动​测量​系统,​该​系统​支持​针对​模数​转换​器​的​精确​特性​分析。​我们​使用​该​测量​系统​对​艾​迈​斯​半导体​标准​线性​(SLI)​产品​线​中的​模数​转换​器​进行​特性​分析。

 

模数​转换​器​的​特性​分析

我们​的​模数​转换​器​标准​产品​组合​包含​10​位​和​12​位​转换​器,​采样​速率​高达​400 kS/​s,​且​功耗​非常​低。

每​个​产品​均​使用​串​行​或​并联​数字​连接​到​微​控制器。​我们​的​模数​转换​器​由​单​端​和​真实​差分​产品​组成,​最多​具有​八条​通道。

 

模数​转换​器​的​测量​序列

将​模数​转换​器​的​测量​分为​九​个​不同​的​组​进行,​涵​盖了​芯​片​的​所有​参数。​除了​各自​的​数据​表​参数​外,​我们​还​对​与​转换​器​质量​相关​的​其他​规格​进行​了​特性​分析,​为​后​续​开发​提供​了​极​具​价值​的​结果。​模数​转换​器​的​测试​组​包括​以下​内容:

 

1)​动态​性能

    a.SINAD-​信​噪​和​失真比
    b.SNR-​信​噪比
    c.THD-​总​谐​波​失真
    d.EOB-​有效​位​数​(EOB)
    e.PHSN-​峰值​谐​波​或​杂​散​噪声​(PHSN)

 

2)​统计​性能

    a.INL-​积分​非线性
    b.DNL-​微分​非线性

 

3)​偏​置​性能​(偏​置、​增益)

 

4)​互​调​失真​性能

    a.IMD-​互​调​失真
    b.ISO-​隔离
    c.​二阶/​三阶项

 

5)​逻辑​输入​(输入​高/​低​电压)

6)​内部​性能​(带​隙、​VBG、​TK、​IREF、​VREF)

7)​能量​性能​(电流​消耗,​VREF)

8)​定​时​功能

9)​电阻​和​电容​性能​(模拟/​逻辑​输入​电容、​输入​阻抗)

 

通过​自动​化​的​测量​序列,​我们​对​正在​生产​中的​大量​转换​器​进行​了​特征​分析,​以​通过​生产​公差​获得​各个​参数​的​相干​统计​图。

 

测量​硬件

根据​测量​精确​度​来​选择​测量​系统​的​组​件。​我们​希望​得到​完全​自动​化​的​最终​系统,​同时​可以​同步​生成​和​采集​信号。​该​系统​的​核心​是​NI PXI​机​箱,​其​包括​NI PXI-5422​任意​波形​发生​器、​NI PXI-6552​数字​波形​发生​器/​分析​仪、​NI PXI-4130​源​测量​单元、​NI PXI-4110​可​编​程​电源​和​NI PXI-6259​多功能​数据​采集​(DAQ)​模​块。  以下​描述​了​在​系统​中​这些​仪器​的​使用​方式。

 

PXI-5422​模​块​是​一​款​16​位、​200MS/​s​任意​波形​发生​器​(ARB),​用于​需要​高​带​宽的​时​域​和​频​域​测量。​使用​ARB​向​模数​转换​器​发送​各种​模拟​模式,​获取​INL、​DNL、​SNR​和​许多​其他​规格,​以​对​其​性能​进行​特性​分析。  得益​于​PXI​提供​的​同步​功能,​我们​能​将​ARB​用作​相位​相干​多​通道​发生​器。

 

PXI-6552​模​块​是​一​款​100 MHz​数字​波形​发生​器/​分析​仪,​提供​20​条​DIO​通道,​具有​可​编​程​VOH、​VOL、​VIH​和​VIL​的​电压​电​平。  数字​发生​器/​分析​仪​捕获​模数​转换​器​的​输出,​并与​ARB​同步,​以​创建​紧密​相关​的​混合​信号​系统。

 

PXI-4130​四​象限​源​测量​单元​(SMU)​和​PXI-4110​可​编​程​电源​用于​模数​转换​器​上​的​参数​测量,​同时​需要​高达​1 nA​的​电流​分辨​率。  我们​使用​电源​为​模数​转换​器​供电​并​监​控​电源​电流,​而​SMU​则​用于​对​数字​输入​的​高​电压​和​低​电压​电​平,​或​对​数字​输出​上​的​拉/​灌​电流​进行​特性​分析,​从而​模拟​由​模数​转换​器​驱动​的​总​线​负载。

 

PXI-6259​是​一​款​混合​信号​的​高速​数据​采集​模​块,​具有​多种​模拟​和​数字​I/​O​功能。  我们​将​此​模​块​用于​捕获​标准​辅助​信息,​并​控制​分析​板​卡​上​的​内部​开关,​以​选择​模数​转换​器​上​的​不同​测试​模式。

 

测量​站​还​包括​一个​可​编​程​电源、​三​个​万​用​表、​一个​100 MHz​示波器、​一个​400 MHz​数字​化​示波器​和​一个​外部​函数/​任意​波形​发生​器。​我们​将​这些​仪器​与​温度​室​或​冲击​试验​设备​一同​用于​温度​特性​分析,​以​在​模数​转换​器​的​整个​特定​温度​范围​内​进行​测量。

 

图​3​所​示​为​应用​科技​大学​开发​的​分析​板​卡,​其​智能​设计​支持​对​整个​模数​转换​器​进行​几乎​全​自动​化​评估。​为了​实现​测量​自动​化,​我们​将​来自​任意​波形​发生​器​的​模拟​信号​直接​通过​精密​继电器​切换​到​模数​转换​器​的​相应​输入​端。​使用​数字​波形​分析​仪​测量​模数​转换​器​的​响应。​我们​还​使用​高速​数字​仪器​操作​模数​转换​器​的​数字​控制​线,​并​使用​NI T-​Clock​同步​任意​波形​发生​器​和​高速​数字​仪器,​保证​了​快速​和​优​化​的​测量​周期。

 

测量​软件

我们​使用NI LabVIEW开发​了​完整​的​采集​和​控制​系统。​LabVIEW VI​可​控制​测量​系统,​我们​将​其​划分为​用于​各种​例​程​(包括​组​模式​生成、​数字​采集​和​模拟​信号​生成/​采集)​的​子​VI。​每​个子​VI​控制​例​程​的​相应​任务​和​可能​需要​的​任何​特殊​参数。​将​每​个​例​程​划分为​子​VI,​并​结合​面向​模式​的​结构,​在​提供​了​高度​的​灵活​性的​同时,​保证​了​在​测试​新​产品​时​的​可​复​用​性。

 

LabVIEW​执行​完成后,​测试​数据​将​传输​到​NI DIAdem​软件,​该​软件​用于​创建​全​自动​测量​日志。

 

图​4​左侧​图像​显示了NI DIAdem生成​的​日志,​其中​汇​总​了​SINAD、​SNR、​THD、​EOB​和​PHSN​的​动态​性能​值。  图​4​右侧​图像​是​已​生成​的​日志,​显示​了​由​INL​和​DNL​组成​的​统计​性能。

 

 

 

针对​模数​转换​器​进行​特性​分析,​缩短​测试​时间、​降低​成本​并​提高​质量

由此​可见,​我们​使用​带有​PXI​的​现成​硬件​和​软件​组​件,​精心设计​的​这个​测量​系统,​可以​显著​提高​半导体​特性​分析​的​质量。​PXI​等​集成​系统​通过​时钟​同步​提供​紧密​相关​的​生成​和​采集​信号,​以便​对​我们​的​模数​转换​器​进行​特性​分析。​借助​于​PXI,​我们​大大​提高​了​模数​转换​器​特性​分析​测试​的​质量,​并​通过​节省​宝贵​的​测试​开发​时间​降低​了​测试​成本。​在​艾​迈​斯​半导体,​该​系统​已​成为​所有​特性​分析​工程​师​的​标准​模数​转换​器​测试​系统。​我们​使用​这种​方法​节省​了​宝贵​的​分析​时间,​而且​得益​于​系统​硬件​和​软件​的​高度​可​复​用​性,​还​能​更​快​地​完成​未来​的​项目。

 

作者​信息:

Manfred Pauritsch
​应用​科技​大学​(University of Applied Sciences)

图​3. ​ ​AS1526​分析​板​卡 ​
图​4. ​ ​NI DIAdem​软件​用于​自动​生成​日志,​用于​汇​总​模数​转换​器​统计​性能 ​
图​1. ​ ​模数​转换​器​输入​和​输出​信号​的​典型​描述 ​
图​2. ​ ​模数​转换​器​通常​需要​简单​的​控制​总​线​(如​I2C),​具有​多种​采样​和​电流​额​定​值。 ​