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世界仍是模拟的 2011年12月04日 来源： 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，以及交叉调制（XMOD，cross-modulation）失真进行了测量。该信号发生器是由Matrix Test Equipment公司开发的，它包括可以在55.25MHz至865.25MHz频率条件下产生135个正弦波形的各种频率源。工程师利用一个75欧的负载终止了一个输出，并把其他输出连接到一个可编程带阻滤波器上。一个75欧至50欧宽频带的低插入损失变压器用来与一台Rohde & Schwarz的频谱分析仪的输入阻抗进行匹配。 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。 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。 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。(end)

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