世界仍是模擬的（上）

ADI公司的工程師們對放大器、轉換器和RF器件進(jìn)行著(zhù)嚴格的測試，以使消費電子和工業(yè)產(chǎn)品能夠正常工作。

　　許多人都說(shuō)：“我們生活在一個(gè)數字化的世界”，但是你不能對美國模擬器件公司（Analog Devices Inc., 簡(jiǎn)稱(chēng)ADI）的工程師說(shuō)這樣的話(huà)。在麻薩諸塞州威爾明頓的公司廠(chǎng)房里，工程師們對用于移動(dòng)電話(huà)、基站、音頻設備、儀器及其他許多“數字”產(chǎn)品的模擬信號處理的試生產(chǎn)集成電路進(jìn)行著(zhù)測試。

　　威爾明頓工廠(chǎng)包括一條生產(chǎn)工程設計原型和成品晶圓的完整的晶圓生產(chǎn)線(xiàn)。工程設計集成電路的組裝在威爾明頓工廠(chǎng)進(jìn)行，或者交給第三方承包商的工廠(chǎng)。成品晶圓是在全球各地的其他工廠(chǎng)進(jìn)行組裝的。 　　

在為生產(chǎn)運算放大器、數模轉換器（DAC）、模數轉換器（ADC）、音頻編碼器/解碼器（CODEC），或者RF集成電路作好準備之前，必須等待產(chǎn)品工程師幾個(gè)星期的測試時(shí)間。這些工程師需要對列入數據資料的器件的所有規格進(jìn)行測試，同時(shí)也需要進(jìn)行他們認為必要的其他測試。測試結果經(jīng)常成為數據資料中公布的“典型”性能特征。在完成了一次評估后，產(chǎn)品工程師需要撰寫(xiě)30至40頁(yè)的測試報告。

　　每個(gè)試生產(chǎn)集成電路都需要一塊評估板，以便向工程師提供接入信號引腳和編程寄存器。這個(gè)評估板通常包括通信端口，例如與一臺個(gè)人電腦進(jìn)行通信的USB端口。產(chǎn)品工程師有責任開(kāi)發(fā)一個(gè)評估板。在我訪(fǎng)問(wèn)威爾明頓工廠(chǎng)期間，我聽(tīng)到了一句人們經(jīng)常掛在嘴邊的關(guān)于產(chǎn)品評估的話(huà)：“是評估板還是被測器件引起了這個(gè)問(wèn)題？”通常情況下，工程師必須經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)程來(lái)確定問(wèn)題究竟出在哪里。

　　在最初測試一個(gè)產(chǎn)品時(shí)，工程師需要利用人工控制的臺式儀器對被測器件（DUT）進(jìn)行測試。一旦他們確信元件功能正常，他們通常會(huì )在臺式儀器上運行自主測試軟件進(jìn)行自動(dòng)測試，或者是將評估板連接到自動(dòng)測試機柜上進(jìn)行測試。最后，他們還要使用生產(chǎn)自動(dòng)測試設備（ATE）對器件進(jìn)行一系列溫度和電源電壓方面的測試。這個(gè)ATE系統是由ADI公司以前的一個(gè)部門(mén)開(kāi)發(fā)的，而該公司現在完全致力于設計和生產(chǎn)集成電路。

　　運算放大器、分離器、濾波器應有盡有

　　Francisco Santos是高速放大器組的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程設計經(jīng)理，他的工程小組負責高速的低失真放大器、視頻濾波器、有源RF分離器、電纜驅動(dòng)器、均衡器和ADSL線(xiàn)路驅動(dòng)器等產(chǎn)品的評估。

　　Santos小組中的工程師對AD8099進(jìn)行了評估，這是一種低噪聲、低失真的高速運算放大器，具有3.8GHz增益帶寬。由于A(yíng)DI公司每年都要開(kāi)發(fā)數不勝數的放大器，工程師們?yōu)楣こ淘O計實(shí)驗室開(kāi)發(fā)了若干個(gè)自動(dòng)測試系統。其中的一個(gè)系統是對運算放大器的一個(gè)重要規范——總諧波失真進(jìn)行測試。“我們的低失真運算放大器的失真范圍能夠達到測試信號基頻的140dB以下”，Santos表示，“所以我們的儀器的背景噪聲就顯得非常重要了。我們不需要對來(lái)自?xún)x器的噪聲進(jìn)行測量。”

　　在人工執行測量時(shí)，諧波失真測量可能需要花幾個(gè)星期的時(shí)間，但是現在，像Greg DiSanto這樣的工程師可以利用實(shí)驗室的自動(dòng)測試臺在幾個(gè)小時(shí)內完成測試。DiSanto需要對THD與頻率、振幅、電源電壓和共模電壓等的關(guān)系進(jìn)行特征描述。這個(gè)測試臺采用了Stanford Research的信號源來(lái)產(chǎn)生高達200kHz的測試頻率，同時(shí)也采用了Rohde Schwarz的一個(gè)高頻單元。在對視頻放大器進(jìn)行特征描述時(shí)，兩個(gè)信號源可在設置于3dB點(diǎn)的可選低通濾波器上產(chǎn)生2個(gè)Vp-p正弦波形。來(lái)自Allen Avionics的低通濾波器——通過(guò)18GHz RF開(kāi)關(guān)連接到Keithley的儀器上——在這些儀器連接到被測器件之前就消除了諧波。更多的RF開(kāi)關(guān)把被測器件的輸出端連接到濾波器上，該濾波器包括一臺Agilent Technologies的頻譜分析儀，有助于測量由二次和三次諧波引起的失真。

　　工程師們也對輸入信號的直流偏壓進(jìn)行了調整，尋找引起失真的限幅點(diǎn)。“開(kāi)環(huán)增益損失引起了失真，”Santos說(shuō)，“我們需要調整輸入信號的偏壓，直到我們找到使運算放大器的輸出級飽和的電壓為止。”

　　Santos小組中的工程師們也對有源視頻分離器，如ADA4302-4 1∶4分離器進(jìn)行了評估。產(chǎn)品工程師Frank Ciarlone的自動(dòng)測試臺對復合二次（CSO，composite second-order）失真、復合三次差拍（CTB，composite triple-beat）失真，以及交叉調制（XMOD，cross-modulation）失真進(jìn)行了測量。該信號發(fā)生器是由Matrix Test Equipment公司開(kāi)發(fā)的，它包括可以在55.25MHz至865.25MHz頻率條件下產(chǎn)生135個(gè)正弦波形的各種頻率源。工程師利用一個(gè)75歐的負載終止了一個(gè)輸出，并把其他輸出連接到一個(gè)可編程帶阻濾波器上。一個(gè)75歐至50歐寬頻帶的低插入損失變壓器用來(lái)與一臺Rohde Schwarz的頻譜分析儀的輸入阻抗進(jìn)行匹配。


　　　　為了描述CSO和CTB的特征，Ciarlone測量了由135個(gè)通道產(chǎn)生的互調分量。被測器件的輸出端的帶阻濾波器消除了帶外載波。他通過(guò)調制對一個(gè)有意義通道以外的所有通道進(jìn)行了XMOD測量，并測量了非調制通道頻帶中的“溢出”。“我們能夠在很短的時(shí)間內得到我們所需的所有通道的數據，”Ciarlone表示，“而且能夠對分離器進(jìn)行充分的評估。”

　　高速放大器組的工程師們利用Agilent Vee來(lái)控制總諧波失真和分離器測試設備。他們還自動(dòng)進(jìn)行了若干其他測量，例如使用Agilent和Rohde Schwarz的頻譜分析儀進(jìn)行的噪聲光譜密度測量，以及使用Agilent的網(wǎng)絡(luò )分析儀和Keithley的RF開(kāi)關(guān)進(jìn)行的視頻濾波器頻率響應和群延遲測量。


　　DAC與ADC

　　以其DAC和ADC而聞名的ADI公司生產(chǎn)用于移動(dòng)電話(huà)和基站、儀器設備和嵌入式系統的元件。產(chǎn)品工程師Justin Munson和Gina Colangelo需要對高速DAC進(jìn)行測試。Munson專(zhuān)注于那些使用低壓差分信號（LVDS）數字輸入的元件，而Colangelo則專(zhuān)注于使用單端、CMOS數字輸入的DAC。

　　最近，Munson剛剛完成對AD9736的評估，它是一個(gè)1.2Gsps的14位DAC。目前，他正在對一個(gè)更加高速的元件進(jìn)行評估。他需要測量噪聲光譜密度（NSD）、總諧波失真、非寄生動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）、互調失真（IMD）、相鄰頻道功率、位至位相位差、線(xiàn)性和功耗。測試信號包括單音和雙音正弦波形。Agilent ParBERT可產(chǎn)生數字信號，并可提供14對差分信號。

　　在對AD9736進(jìn)行評估時(shí)，Munson分別以600Msps、800Msps、1Gsps和1.2Gsps的速度對器件進(jìn)行了測試。在1Gsps測試中，Munson對ParBERT進(jìn)行了編程，覆蓋了從DC達490MHz的范圍，正好是在500MHz的尼奎斯特（Nyquist）頻率之下。

　　“當你對運行速度超過(guò)1Gsps的DAC進(jìn)行評估的時(shí)候，”Munson說(shuō)，“你的評估板的布局非常關(guān)鍵。評估板或被測器件的隔離問(wèn)題經(jīng)常是很棘手的。一個(gè)評估板需要有良好的電源退耦裝置，而其數字布線(xiàn)需要與模擬布線(xiàn)隔離開(kāi)來(lái)。”

　　例如AD9736這樣的DAC就有不同的模擬輸出，這將有助于最大限度地減少由接地環(huán)路引起的系統誤差。這對那些把該器件用在系統內的工程師非常有益，但是它也導致了比單端輸出測試更大的難度。Munson的評估中使用的是變壓器負載而不是放大器負載。

　　他說(shuō)：“變壓器負載使它對DAC的評估變得更加容易，因為它們可以將差分輸出變成單端輸出，而不必擔心放大器輸出級出現附加的非線(xiàn)性。”Munson發(fā)現，由于每個(gè)變壓器的工作帶寬的局限性，他需要一臺以上的變壓器對DAC進(jìn)行充分的測試。

　　對Colangelo來(lái)說(shuō)，她評估的AD9779這樣的DAC是采用單端CMOS輸入的。她采用了與Munson一樣的測量方法。“一些用戶(hù)對高速LVDS接口的DAC還沒(méi)有充分的認識，以至于他們選擇了一個(gè)CMOS接口的DAC來(lái)增加數字功能，”Colangelo說(shuō)。 LVDS接口的DAC的輸入數據能夠以高達300Msps的傳輸速率運行。為了產(chǎn)生單端測試信號，Colangelo使用了ADI公司開(kāi)發(fā)的圖形發(fā)生器。

　　AD9779主要用于移動(dòng)基站，它包括兩個(gè)可以產(chǎn)生I/Q調制信號的DAC。用戶(hù)能夠關(guān)斷器件來(lái)降低功耗，例如，當一部手機不發(fā)送信號時(shí)，就可以關(guān)斷DAC核的供電。

　　AD9779采用數字濾波器實(shí)現器件平滑的模擬輸出。數字濾波器需要自身時(shí)鐘，但是這些時(shí)鐘可能增加DAC模擬輸出的失真。將時(shí)鐘與模擬電路隔離開(kāi)來(lái)是集成電路設計人員和產(chǎn)品工程師面對的一個(gè)挑戰。“我們不僅僅是對器件進(jìn)行測試，”Colangelo說(shuō)，“而且還要對評估板進(jìn)行測試。如果你斷掉一個(gè)器件的DAC部分的電源，而沒(méi)有斷掉數字控制部分的電源，那么在用一臺頻譜分析儀測量其輸出時(shí)，你應該不會(huì )看見(jiàn)任何偽信號。否則，你的評估板就可能有問(wèn)題。”