Den här artikeln behandlar hur en banbrytande prestandaökning inom analog/digitalomvandling möjliggör en ny generation av billiga ATE-system med bättre noggrannhet.
Ökad användning av komplicerade, högpresterande integrerade systemkretsar ställer mycket höga krav på den automatiska testutrustning (ATE-system) som används vid tillverkningen. Många ATE-system kräver extrem precision vid mätning av kritiska parametrar eftersom de måste vara väsentligt mycket noggrannare än de kretsar som de testar. Moderna ATE-system flyttar fram gränsen för signalbehandlingen och kräver noggrannhet ned till ppm (parts-per-million). Konstruktionen av sådana system är mycket sofistikerad och kräver integrerade kretskomponenter av högsta prestanda.

A/D-omvandlaren en nyckelkomponent
I hjärtat av många noggranna ATE-system sitter en A/D-omvandlare (ADC).  A/D-omvandlaren spelar en central roll genom att översätta signaler från det analoga området till det digitala för att sedan möjliggöra digital signalbehandling. Noggrannhet och prestanda hos A/D-omvandlaren bestämmer ofta noggrannhet och prestanda för systemet som helhet. Denna artikel behandlar hur banbrytande prestanda för dataomvandlingen möjliggör en ny generation av billiga ATE-system med bättre noggrannhet.

Vad ATE-system behöver
Noggranna ATE-system kräver A/D-omvandlare med hög upplösning för att digitalisera den verkliga världens analoga signaler. Utmärkta DC-specifikationer (såsom offset, förstärkning och linjäritet) behövs normalt hos den analoga signalkedjan, inklusive A/D-omvandlaren och tillhörande signalbehandlingskretsar (såsom förstärkare, filter och referenser).
För att uppnå upplösning och noggrannhet på ppm-nivå är många ATE-system digitalt kalibrerade för att eliminera eventuell offset på systemnivå och förstärkningsfel. Därmed begränsas ofta systemnoggrannheten av fel som inte kan undertryckas genom oregelbunden kalibrering, och systemkonstruktörer kan bekymra sig mer för potentiella avvikelser hos viktiga parametrar än för deras statiska värden. Noggranna ATE-system kan exempelvis inte bara kräva noggrannhet på ppm-nivå vid en fast temperatur, utan även en avvikelsenoggrannhet på sub-ppm/C över ett brett driftstemperaturområde.
A/D-omvandlarens linjäritet är av kritisk vikt för hela systemets noggrannhet. A/D-omvandlarens linjäritet bestäms av komplicerade samband mellan den analoga insignalen och A/D-omvandlarens interna konstruktion och arkitektur.  Linjäritetsfel hos A/D-omvandlaren är extremt svåra att kalibrera på systemnivå eftersom sådana fel varierar väsentligt från en digitalkod till en annan, samt eftersom de kan vara kraftigt beroende av temperaturen. A/D-omvandlarens linjäritet och stabilitet över temperaturen är kritisk för den sammanlagda mätnoggrannheten hos ATE-system.

Banbrytande prestanda
För att tillgodose dessa konstruktionsproblem ger en ny familj av 20-bitars SAR A/D-omvandlare en enastående prestandanivå och noggrannhet, som förenklar konstruktionen av mycket noggranna ATE-system. LTC2378-20 utgör ett flaggskepp i en produktfamilj av ben- och programvarukompatibla SAR A/D-omvandlare med upp till 20-bitars upplösning “utan missade koder” och upp till 104 dB SNR vid samplingshastigheter från 250 kSa/s till 2 MSa/s.  Framför allt imponerar DC-precisionen hos LTC2378-20:
A/D-omvandlarens linjäritetsfel (INL, integral nonlinearity) är normalt mindre än 0,5 ppm, och garanteras ligga under 2 ppm, för samtliga koder över hela driftstemperaturområdet från -40°C till +85°C.  Offset-felet är 13 ppm (maximalt) med 0,007 ppm/°C avvikelse, och förstärkningsfelet är 10 ppm med 0,05 ppm/°C avvikelse.
Denna extrema prestandanivå uppnås vid mycket energisnål drift, från 5,3 mW vid 250 KSa/s till 21 mW vid 1 MSa/s.  Samtliga kretsar är kapslade i små MSOP-16 och DFN-16. Fig 1 sammanfattar den nya ADC-familjen.

Fig 1. Den SAR-baserade A/D-omvandlar familjen utgörs av benkompatibla kretsar med 20, 18 eller 16 bitar.

Kretsarnas egenskaper
SAR A/D-omvandlare karakteriseras av sin förmåga att åstadkomma en noggrann ögonblicksbild av en analog insignal samt att de kan fullfölja en analog-till-digital omvandlingsoperation inom en enda klockcykel. Därför är SAR-baserade omvandlare enastående på att utföra asynkrona “start-and-go”-operationer, och de är lätta att använda eftersom omvandlingsresultatet är tillgängligt omedelbart inom samma klockcykel.  Förmågan att producera noggranna omvandlingsresultat utan cykelfördröjning, även efter långa perioder av overksamhet, gör att SAR A/D-omvandlare passar utmärkt för många noggranna ATE-system.
Andra typer av A/D-omvandlare, såsom “delta-sigma”- och “pipeline”-baserade A/D-omvandlare kräver flera klockcykler för att fullfölja en enda omvandling.

Kretsarkitektur
LTC2378-20s garanterade linjäritet och noggrannhet på ppm-nivå ändrar spelplanen för många ATE-system. LTC2378-20 har utformats med hjälp av en egenutvecklad arkitektur som borgar för linjäritet och minimerar dess känslighet för förändringar i temperatur och andra driftsförhållanden. Detta resulterar i att en specifikation där 2 ppm INL garanteras över hela driftstemperaturområdet!
SAR A/D-omvandlarens algoritm bygger på en binärsökningsprincip. Den analoga ingången samplas på en kondensator och jämförs sekventiellt med fraktioner av en referensspänning, vald av SAR-algoritmen. SAR A/D-omvandlaren består av tre kritiska komponenter: en kondensatorbaserad digital-till-analog omvandlare (CDAC), en snabb lågbrusig komparatorkrets och ett successivt approximerande register.
INL-prestanda hos en konventionell SAR A/D-omvandlare kan inskränkas av en begränsad passningsnoggrannhet hos individuella kondensatorer i CDACn, och många noggranna SAR A/D-omvandlare utnyttjar analoga eller digitala trimningstekniker för att förbättra passningsnoggrannheten. När temperaturen varierar och stress läggs på kapsel och kort försämras dock alltid CDACns kondensatorpassning, vilket kan begränsa A/D-omvandlarens linjäritet.
LTC2378-20 uppnår sin mycket goda INL-prestanda genom att implementera en egenutvecklad arkitektur som gör att INL är oberoende av felpassning hos CDAC-kondensatorer. Det ger kretsen mycket hög tålighet mot den typ av temperaturvariationer och effekter av kapselstress som förekommer i tuffa industrimiljöer. Dessutom är komparatorkretsen noga utformad att balansera hastighet, effekt och brus, så att LTC2378-20 når ett enastående signal/brusförhållande (SNR) på 104 dB och förbrukar bara 21 mW vid 1 MSa/s utan att lägga till någon cykelfördröjning.  Effektförbrukningen hos LTC2378-20-familjen av SAR A/D-omvandlare är proportionell mot samplingshastigheten, så kretsarna förbrukar endast storleksordningen mikrowatt då de verkar med 1 kSa/s.

Noggrannhet och hastighet
LTC2378-20 når en nivå av noggrannhet som tidigare endast möjliggjorts med mycket långsammare A/D-omvandlararkitekturer, såsom “delta-sigma”- eller “multi-slope”-baserade A/D-omvandlare. ATE-system med många kanaler utnyttjar ofta sådana långsamma A/D-arkitekturer för noggranna DC-mätningar, med multiplexrar som gör att en enda mätare kan betjäna många ingångar. A/D-omvandlarens omvandlingstid kan ofta justeras över ett brett område för att byta hastighet mot upplösning. Mätningens upplösning begränsas dock ofta till mindre än 16 bitar vid samplingshastigheter på över 100 kSa/s. LTC2378-20 kan göra en miljon avläsningar per sekund, med en brusupplösning på 2,3 ppm (standardavvikelse för brus, 104 dB SNR) för varje avläsning. Resultat från flera avläsningar av samma analoga signal kan kombineras digitalt för att förbättra brusupplösningen, vilket ger en prestanda som överträffar den hos “multi-slope”-baserade A/D-omvandlare. Genom att ta ett genomsnitt för exempelvis ett block om 10 samplingar arbetar LTC2378-20 i princip vid 1 MSa/s/10 = 100 kSa/s med en brusupplösning på 0,7 ppm (114 dB SNR).
“Delta-sigma”- och “multi-slope”-baserade A/D-omvandlare kan konfigureras att ge en genomsnittlig insignal under en observations-/integreringsperiod för att dämpa brus och interferens. En observationsperiod på 100 ms används ofta för att samtidigt dämpa linjefrekvensinterferens på 50 Hz och 60 Hz, vilket resulterar i ett genomflöde på endast 10 prov per sekund.  Därmed tar det en hel sekund att ta hand om 10 multiplexerade kanaler med en multi-slope”-baserad A/D-omvandlare. Fig 2 visar en enda LTC2378-20 ADC som arbetar vid 102,4 kSa/s, konfigurerad med en multiplexerkrets för samtidig mätning av samtliga 10 signaler under den 100 ms långa observationsperioden.

Fig 2. LTC2378-20 konfigurerad för samtidig avläsning och genomsnittsberäkning av 10 analoga ingångar för en observationsperiod på 100 ms.

Medan den bevarar dämpningen av linjefrekvensinterferens under den 100 ms långa observationsperioden ökar genomflödet med faktorn för multiplexeringen (här 10, men den kan vara högre), vilket resulterar i mycket högre produktivitet hos ATE-systemet.  I detta exempel ökar brusupplösningen med ett genomsnitt för 1024 samplingar tagna från varje kanal under observationsperioden, vilket ger 22 bitars brusupplösning (0,07 ppm eller 70 nV, rms).  Genomsnittsberäkningen kan utföras med en enkel adderare som är lätt att implementera i antingen programmerbar logik eller i en processor. LTC2378-20 ger därmed en väsentligt högre mäthastighet, samtidigt som viktiga fördelar hos tidigare arkitekturer bibehålls.
Eftersom en enda LTC2378-20-krets potentiellt kan ersätta flera diskreta komponenter som krävs för en “multi-slope”-baserad konstruktion möjliggörs en värdefull frihetsgrad i att balansera kostnad, kortutrymme och kanalantal vid konstruktionen. Om en multiplexad mätare ersätts av en eller flera LTC2378-20 A/D kan systemets storlek krympas, effekten sänkas, kostnaden minskas och hastigheten ökas med flera storleksordningar jämfört med traditionella metoder.  Eftersom kretsen i sitt ursprungliga tillstånd dessutom kan arbeta som en Nyquist ADC vid upp till 1 MSa/s går det utmärkt att utnyttja en enda LTC2378-20 A/D i system som annars skulle kräva mer än en typ av A/D, såsom en “multi-slope”-baserad A/D för mycket noggranna lågbrusiga mätningar och en SAR A/D för snabbare mätningar med lägre upplösning.

Konfigurerbart A/D-system förenklar signalkedjan
Vissa ATE-system kan behöva förmåga att utvärdera en signal med stor precision, samt även med viss bandbredd.  Mer bandbredd innebär mer brus, så sådana system kräver normalt två digitala dataströmmar:  en med lågt brus, låg bandbredd och hög noggrannhet; och en med högre brus, högre bandbredd och lägre noggrannhet.  Den konventionella metoden är att använda separata A/Dr för vardera dataström, där varje A/D optimerats för antingen noggrannhet eller bandbredd/brus, såsom visas i fig 3a.

Fig 3a. Konventionell metod:  System konstruerat med två eller flera A/D-omvandlare.
(Klicka här för större bild)

LTC2378-20 är optimerad för bådadera, och en enda ADC kan utnyttjas för båda dataströmmarna.  När den används tillsammans med en digital bakdel, som kan vara omkonfigurerbar i fält ger LTC2378-20 prestanda av senaste snitt vid samtliga samplingshastigheter upp till 1 MSPS.
När en SAR ADC översamplas lättas behovet av antivikning på liknande sätt som för delta-sigma A/D-omvandlare. Historiskt sett har dock SAR A/D-omvandlare inte kunnat motsvara delta-sigma A/D-omvandlare i fråga om linjäritet. Men det kan de nu.  LTC2378-20 sätter en helt ny standard eftersom den faktiskt har ett bättre INL än delta-sigma A/D-omvandlare. Det öppnar för många nya och spännande möjligheter inom ATE-tillämpningar, såsom visas i fig 3b. Två mycket olika och var för sig optimerade A/D-omvandlare kan ersättas av en högpresterande SAR ADC, vilket kraftigt förenklar systemkonstruktionen.

Fig 3b. Konfigurerbart ADC-system:  Använd LTC2378-20 och välj genomflöde/brus i programvara för att uppnå prestanda av senaste snitt vid samtliga samplingshastigheter upp till 1 MSa/s.

Perfekt för precisionsmätningar
Konstruktioner för noggranna ATE-system har ett nytt alternativ för att förbättra signalkedjans prestanda. 20-bitars SAR A/D-omvandlaren, LTC2378-20, ger en mycket hög noggrannhet (INL garanteras till 2 ppm) och lågt brus (104 dB SNR) vid hög omvandlingshastighet (1 MSa/s) och låg effektförbrukning (21 mW).
Kombinationen av hög noggrannhet, lågt brus och ingen cykelfördröjning gör att LTC2378-20 kan användas till mycket inom precisionsmätning och styrsystem, vilket möjliggör en ny generation av mycket noggranna, flexibla och kostnadseffektiva ATE-system.

Filed under: Analogteknik