导航: ADI公司的工程师们对放大器、转换器和RF器件进行着严格的测试，以使消费电子和工业产品能够正常工作。
许多人都说：“我们生活在一个数字化的世界”，但是你不能对美国模拟器件公司（Analog Devices Inc., 简称ADI）的工程师说这样的话。在麻萨诸塞州威尔明顿的公司厂房里，工程师们对用于移动电话、基站、音频设备、仪器及其他许多“数字”产品的模拟信号处理的试生产集成电路进行着测试。
威尔明顿工厂包括一条生产工程设计原型和成品晶圆的完整的晶圆生产线。工程设计集成电路的组装在威尔明顿工厂进行，或者交给第三方承包商的工厂。成品晶圆是在全球各地的其他工厂进行组装的。
在为生产运算放大器、数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）、音频编码器/解码器（CODEC），或者RF集成电路作好准备之前，必须等待产品工程师几个星期的测试时间。这些工程师需要对列入数据资料的器件的所有规格进行测试，同时也需要进行他们认为必要的其他测试。测试结果经常成为数据资料中公布的“典型”性能特征。在完成了一次评估后，产品工程师需要撰写30至40页的测试报告。
每个试生产集成电路都需要一块评估板，以便向工程师提供接入信号引脚和编程寄存器。这个评估板通常包括通信端口，例如与一台个人电脑进行通信的USB端口。产品工程师有责任开发一个评估板。在我访问威尔明顿工厂期间，我听到了一句人们经常挂在嘴边的关于产品评估的话：“是评估板还是被测器件引起了这个问题？”通常情况下，工程师必须经过一个过程来确定问题究竟出在哪里。
在最初测试一个产品时，工程师需要利用人工控制的台式仪器对被测器件（DUT）进行测试。一旦他们确信元件功能正常，他们通常会在台式仪器上运行自主测试软件进行自动测试，或者是将评估板连接到自动测试机柜上进行测试。最后，他们还要使用生产自动测试设备（ATE）对器件进行一系列温度和电源电压方面的测试。这个ATE系统是由ADI公司以前的一个部门开发的，而该公司现在完全致力于设计和生产集成电路。
运算放大器、分离器、滤波器应有尽有
Francisco Santos是高速放大器组的产品开发工程设计经理，他的工程小组负责高速的低失真放大器、视频滤波器、有源RF分离器、电缆驱动器、均衡器和ADSL线路驱动器等产品的评估。
Santos小组中的工程师对AD8099进行了评估，这是一种低噪声、低失真的高速运算放大器，具有3.8GHz增益带宽。由于ADI公司每年都要开发数不胜数的放大器，工程师们为工程设计实验室开发了若干个自动测试系统。其中的一个系统是对运算放大器的一个重要规范——总谐波失真进行测试。“我们的低失真运算放大器的失真范围能够达到测试信号基频的140dB以下”，Santos表示，“所以我们的仪器的背景噪声就显得非常重要了。我们不需要对来自仪器的噪声进行测量。”
在人工执行测量时，谐波失真测量可能需要花几个星期的时间，但是现在，像Greg DiSanto这样的工程师可以利用实验室（图1）的自动测试台在几个小时内完成测试。DiSanto需要对THD与频率、振幅、电源电压和共模电压等的关系进行特征描述。这个测试台采用了Stanford Research的信号源来产生高达200kHz的测试频率，同时也采用了Rohde & Schwarz的一个高频单元。在对视频放大器进行特征描述时，两个信号源可在设置于3dB点的可选低通滤波器上产生2个Vp-p正弦波形。来自Allen Avionics的低通滤波器——通过18GHz RF开关连接到Keithley的仪器上——在这些仪器连接到被测器件之前就消除了谐波。更多的RF开关把被测器件的输出端连接到滤波器上，该滤波器包括一台Agilent Technologies的频谱分析仪，有助于测量由二次和三次谐波引起的失真。
工程师们也对输入信号的直流偏压进行了调整，寻找引起失真的限幅点。“开环增益损失引起了失真，”Santos说，“我们需要调整输入信号的偏压，直到我们找到使运算放大器的输出级饱和的电压为止。”
Santos小组中的工程师们也对有源视频分离器，如ADA4302-4 1∶4分离器进行了评估。产品工程师Frank Ciarlone的自动测试台（图2）对复合二次（CSO，composite second-order）失真、复合三次差拍（CTB，composite triple-beat）失真，以及
为了描述CSO和CTB的特征，Ciarlone测量了由135个通道产生的互调分量。被测器件的输出端的带阻滤波器消除了带外载波。他通过调制对一个有意义通道以外的所有通道进行了XMOD测量，并测量了非调制通道频带中的“溢出”。“我们能够在很短的时间内得到我们所需的所有通道的数据，”Ciarlone表示，“而且能够对分离器进行充分的评估。”
高速放大器组的工程师们利用Agilent Vee来控制总谐波失真和分离器测试设备。他们还自动进行了若干其他测量，例如使用Agilent和Rohde & Schwarz的频谱分析仪进行的噪声光谱密度测量，以及使用Agilent的网络分析仪和Keithley的RF开关进行的视频滤波器频率响应和群延迟测量。
DAC与ADC
以其DAC和ADC而闻名的ADI公司生产用于移动电话和基站、仪器设备和嵌入式系统的元件。产品工程师Justin Munson和Gina Colangelo需要对高速DAC进行测试。Munson专注于那些使用低压差分信号（LVDS）数字输入的元件，而Colangelo则专注于使用单端、CMOS数字输入的DAC。
最近，Munson刚刚完成对AD9736的评估，它是一个1.2Gsps的14位DAC。目前，他正在对一个更加高速的元件进行评估。他需要测量噪声光谱密度（NSD）、总谐波失真、非寄生动态范围（SFDR）、互调失真（IMD）、相邻频道功率、位至位相位差、线性和功耗。测试信号包括单音和双音正弦波形。Agilent ParBERT可产生数字信号，并可提供14对差分信号。
在对AD9736进行评估时，Munson分别以600Msps、800Msps、1Gsps和1.2Gsps的速度对器件进行了测试。在1Gsps测试中，Munson对ParBERT进行了编程，覆盖了从DC达490MHz的范围，正好是在500MHz的尼奎斯特（Nyquist）频率之下。
“当你对运行速度超过1Gsps的DAC进行评估的时候，”Munson说，“你的评估板的布局非常关键。评估板或被测器件的隔离问题经常是很棘手的。一个评估板需要有良好的电源退耦装置，而其数字布线需要与模拟布线隔离开来。”
例如AD9736这样的DAC就有不同的模拟输出，这将有助于最大限度地减少由接地环路引起的系统误差。这对那些把该器件用在系统内的工程师非常有益，但是它也导致了比单端输出测试更大的难度。Munson的评估中使用的是变压器负载而不是放大器负载。
他说：“变压器负载使它对DAC的评估变得更加容易，因为它们可以将差分输出变成单端输出，而不必担心放大器输出级出现附加的非线性。”Munson发现，由于每个变压器的工作带宽的局限性，他需要一台以上的变压器对DAC进行充分的测试。
对Colangelo来说，她评估的AD9779这样的DAC是采用单端CMOS输入的。她采用了与Munson一样的测量方法。“一些用户对高速LVDS接口的DAC还没有充分的认识，以至于他们选择了一个CMOS接口的DAC来增加数字功能，”Colangelo说。 LVDS接口的DAC的输入数据能够以高达300Msps的传输速率运行。为了产生单端测试信号，Colangelo使用了ADI公司开发的图形发生器。
AD9779主要用于移动基站，它包括两个可以产生I/Q调制信号的DAC。用户能够关断器件来降低功耗，例如，当一部手机不发送信号时，就可以关断DAC核的供电。
AD9779采用数字滤波器实现器件平滑的模拟输出。数字滤波器需要自身时钟，但是这些时钟可能增加DAC模拟输出的失真。将时钟与模拟电路隔离开来是集成电路设计人员和产品工程师面对的一个挑战。“我们不仅仅是对器件进行测试，”Colangelo说，“而且还要对评估板进行测试。如果你断掉一个器件的DAC部分的电源，而没有断掉数字控制部分的电源，那么在用一台频谱分析仪测量其输出时，你应该不会看见任何伪信号。否则，你的评估板就可能有问题。”
Munson和Colangelo对元件功能及他们的评估板不会增加失真充满信心，之后他们运行了一系列自动测量。他们使用在National Instruments的LabView上编写的软件来控制图形发生器和频谱分析仪。利用台式测试设备，Munson和Colangelo将使用ATE系统进行一系列温度和电源电压方面许多相同的测量。
ADC是ADI公司的另一类核心产品，由产品工程师Chris Carney对该类产品进行评估。他对这些具有差分LVDS和单端CMOS数字输出的ADC进行测试。
“通常，350Msps是从CMOS到LVDS的转折点，”Carney说，“但是一些用户甚至想要以更低的速度实现LVDS输出。”那些在100Msps至200Msps速度条件下使用ADC的用户可能宁愿使用LVDS，因为其差分输出的电压摆幅更小。
Carney的ADC评估板可连接到一个FIFO存储器板上。两种型号的存储器分别为16KB和32KB，这使他可以全速运行ADC，并在将数据传输到电脑之后进行脱机数据分析。像Munson和Colangelo一样，Carney在进行自动测量之前，先在台式设备上人工开始运行他的评估程序。
他的FIFO板与被称为LabAlyzer的自主ADC测试软件一起运行，该软件是利用LabView编写的可执行程序。利用LabAlyzer，Carney配置了一个ADC，它可以对数据进行采集，并执行FFT来测量失真和积分非线性能力。他的任务之一是控制一个调节ADC输入偏置电压的寄存器。一旦他发现了最理想的偏置电压，设计工程师就可以为待生产的器件芯片中的这个电压进行设置。
音频CODEC
ADI公司也生产包括DAC、ADC、采样率转换器，以及运行若干音频算法的数字信号处理器等的一系列音频集成电路。在数字音频产品工程设计经理Steven Roy的指导下，产品工程师Chirag Patel对音频CODEC进行了评估。他评估的是适用于汽车音响系统的最新的AD1938。它包括4个立体声DAC和2个立体声ADC。该器件是AD1836A的升级型号，后者有3个立体声DAC和2个立体声ADC。新型汽车具有有8个扬声器的音响系统，需要4个立体声DAC。
从评估板开始，Patel为具体运作模式配置了CODEC。他利用一个串行外设接口（SPI）端口将采样率、串行数据格式和音量等写入了寄存器。该器件包括18个用户寄存器，以及若干仅用于内部诊断的寄存器。该评估板通过一个USB端口与电脑进行通信。
在首次调试一个新的元件时，Patel遇到了一些与他的同事Munson和Colangelo同样的问题——辨别噪声的来源。“这是一个克服困难的过程，”Patel表示，“如果我看见了电源线上的噪声，我就会使用一个外置电源，而不使用评估板的电源。”
Patel利用来自一台音频精度测试仪的单音和多音信号，对CODEC的IMD、THD＋噪声、线性、信噪比（SNR）和串扰进行了测量。在THD＋噪声测试中，他通常使用在器件最大输入电平之下的1dB振幅的1kHz正弦波形，而对二次和三次谐波的测量使用的是音频测试仪。
Patel最初进行评估和调试的器件大约有50个。作为其台式评估的一部分，Patel以尽可能多的运行模式对器件的功能进行检查。在台式测试之后，Patel使用ATE系统以进一步描述器件的特征，以发现主要数字接口的时序限制。
数字时序特征描述可以包括与彼此有关的相位差数字信号，这是Patel组织测量和把握时间的关键。他描述了给定温度范围、电源电压和晶圆制造过程中的变化对CODEC特征的影响。如果元件满足了规范要求，他就会在ATE系统上对大约500个元件进行统计学评估。根据统计，他可以为数据资料提供元件的典型值和保证值。这种统计学测量包括模拟特征的THD＋噪声和SNR。
“我们通常会在试生产运行中保留大约50%的加工晶圆，以防我们需要做出临时的改变，”Patel说，“如果这种变化只是CODEC逻辑电路，那么，新的原型元件可以在大约3个星期内准备完毕。如果这种变化需要的是模拟电路器件，这个变化可能需要花12个星期。”
RF器件
ADI公司还生产RF和光学元件，这些元件是由RF及无线（RFW）组的工程师进行开发和测试的。高级产品工程师Tom Kelly对RF产品，例如功率检波器、放大器、乘法器和调制器，以及对数检测器（log detector）等光学元件进行评估。RFW组有若干自动测试台，Kelly使用其中之一测试AD8349，这是一种用于GSM和CDMA移动电话的700MHz至2.7GHz的正交调制器。
在对AD8349进行评估期间，Kelly利用图3所示的测试装置测量了噪声、相邻频道功率泄漏比（ACLR）和边频带。Aeroflex信号发生器可产生I和Q调制信号。为了测量调制器的性能，Kelly用一台Rohde & Schwarz频谱分析仪对调制器的输出频谱进行了测量。
图4显示了对一个双载波101 W-CDMA信号进行的ACLR测量。为了进行测量，Kelly调制了两个以频率隔开的W-CDMA通道，以使一个通道将它们分开。然后，他在未用通道中看到了信号泄漏，以及频率上下的双载波。在这种情况下，可以发现这个无线电连接调制器（AD_RLM）与AD8349之间相邻频道的差值约为4dB。图5显示了这一边频带测量。
校准在测量边频带抑制时至关重要。“传统上，我们都是使用一只HP矢量电压表进行信号校准，”Kelly解释道，“自从这种设备不再生产以来，我们正在尝试使用VNA或高速示波器。”
Kelly担心如何校准将会影响一个调制器I和Q基带输入信号。如果该信号的振幅和正交并不相等，Kelly将会看到一个不希望得到的边频带。即使有完美的振幅匹配，正好为1U的相位误差也会引起-40dBc的不希望得到的边频带。1U相位和0.5dB的振幅误差可产生-30dBc的不需要的边频带。
ADI公司的工程师要花几个星期的时间利用台式设备、实验室自动测试台和生产ATE系统对新型集成电路设计进行评估。用于生产的一种产品必须得到一位产品工程师的批准，产品工程师会向设计人员提供有价值的反馈。