Problematiche relative alla caratterizzazione di un convertitore A/D pipeline 14bit 100MHz

Lo studio effettuato sulla caratterizzazione dei convertitori analogico-digitali si è articolato in due parti principali.

Nella prima, è stata sviluppata una evaluation board per convertitore A/D (ADC) pipeline 14 bit 100 MHz, a partire dal progetto di una prima versione della scheda.
Una volta acquisiti gli schematici relativi a quest’ultima, essi sono stati sottoposti ad un’attenta analisi volta a comprendere quali sezioni potessero essere modificate, adattate o migliorate. Un particolare accento è stato posto sul dimensionamento delle batterie di capacità di bypass presenti in più parti del circuito e sulla scelta dei componenti relativi, al fine di ottenere una ottimale reiezione dei disturbi, problema molto critico considerata l’alta risoluzione e l’elevata frequenza operativa del chip.
Sono stati inoltre aggiunti alcuni pin al chip, per consentire una diagnostica più approfondita sul suo funzionamento in fase di test.
In ultimo sono stati analizzati i diversi segnali in uscita ed in ingresso al chip, in modo tale da fornire adeguate interfacce con gli strumenti di misura necessari; di conseguenza, sono stati esaminati i vari stadi di conversione richiesti.
Nella seconda parte, ci si è concentrati sull’analisi di metodologie di test per la stima della Non-Linearità Integrale (INL) di un ADC .
Per la rilevazione della INL del convertitore in esame ci si è affidati alla misura “a densità di codice”: la differenza tra la densità di codice rilevata in uscita dall’ADC quando in ingresso c’è un segnale noto (usualmente sinusoidale, come in questo caso) e quella teorica del segnale stesso fornisce la stima desiderata.
Le misure tradizionali consentono di raggiungere risultati consistenti solo valutando un elevato numero di campioni sperimentali, nell’ordine di qualche milione; si è pertanto valutato il risparmio di tempo ottenibile con tecniche più avanzate basate sull’elaborazione dei campioni mediante wavelet, FFT oppure, come nei nostri test, filtri.
Per lo svolgimento di questi test si è optato per una tecnica che consiste nell’applicare un particolare filtraggio ai risultati ottenuti estraendo un numero di campioni più limitato rispetto alle misure tradizionali. Nelle simulazioni effettuate, si sono adottati un filtro a media mobile (MA, Mobile Averaging) e un filtro mediano, entrambi con finestra a larghezza variabile. Il vantaggio di questi ultimi deriva dalla considerazione che il rumore additivo è a media nulla, per cui considerando una finestra d’osservazione più ampia, entro essa i disturbi dovrebbero attenuarsi (e azzerarsi asintoticamente).
Per poter effettuare un confronto significativo, sono state ripetute le simulazioni variando il numero di campioni acquisiti volta per volta e la larghezza della finestra dei filtri; infine sono state comparate le tre soluzioni (tecnica tradizionale, filtraggio MA e filtraggio mediano) nelle diverse condizioni sopraelencate.
In conclusione, si può affermare che l’applicazione dei filtri di cui sopra porta benefici, ma non in misura considerevole: mediamente si può dire che le stime ottenute mediante filtraggio sono paragonabili con quelle tradizionali relative ad un numero circa doppio di campioni considerati. In queste stime è sensibile l’impatto della larghezza della finestra del filtro: apparentemente aumentandola i risultati migliorano, ma implicitamente così facendo si introduce un errore sistematico che rende meno attendibili le misure effettuate.