高速或GSPS ADC(每秒千兆采樣ADC)相對稀疏出現的轉換錯誤不僅造成其難以檢測
，而且還使測量過程非常耗時。該持續時間通常超出毫秒範圍

，達到幾小時、幾天、幾周甚至是幾個月。為了幫助消減這一耗時測試負擔
，我們可以在一定“置信度”的確定性情況下估算誤碼率，而仍然保持結果的質量。

比特誤碼率(BER)與轉換誤碼率(CER)

與串行或並行數字數據傳輸中比特誤碼率的數字等效值類似
，轉換誤碼率是轉換錯誤數與樣本總數之比。但是，BER和CER之間有一些截然不同之處。數字數據流中的BER測(ce)試(shi)采(cai)用(yong)長(chang)偽(wei)隨(sui)機(ji)序(xu)列(lie)
，該(gai)序(xu)列(lie)可(ke)於(yu)發(fa)送(song)器(qi)中(zhong)在(zai)傳(chuan)輸(shu)兩(liang)端(duan)使(shi)用(yong)常(chang)用(yong)種(zhong)子(zi)值(zhi)來(lai)啟(qi)動(dong)。接(jie)收(shou)器(qi)預(yu)期(qi)將(jiang)收(shou)到(dao)理(li)想(xiang)的(de)傳(chuan)輸(shu)。通(tong)過(guo)觀(guan)察(cha)接(jie)收(shou)數(shu)據(ju)與(yu)理(li)想(xiang)數(shu)據(ju)的(de)差(cha)異(yi)，便(bian)可(ke)精(jing)確(que)計(ji)算(suan)出(chu)BER。兩端之間偽隨機序列數據中的失配(基於種子值)即視為比特錯誤。

與CER不同，誤差測定不像純數字比較那麼簡單。由於ADC轉zhuan換huan過guo程cheng中zhong始shi終zhong具ju有you小xiao的de非fei線xian性xing，另ling外wai還hai存cun在zai係xi統tong噪zao聲sheng和he抖dou動dong，因yin此ci並bing非fei總zong是shi能neng確que定ding預yu期qi數shu據ju和he實shi際ji數shu據ju之zhi間jian的de確que切qie差cha異yi。相xiang反fan，需xu要yao建jian立li誤wu差cha閾yu值zhi，用yong於yu確que定ding轉zhuan換huan錯cuo誤wu和he具ju有you容rong許xu預yu期qi噪zao聲sheng的de樣yang本ben之zhi間jian的de界jie限xian。這zhe與yu數shu字ziBER不bu同tong，並bing不bu會hui對dui發fa送song和he接jie收shou的de預yu期qi數shu據ju進jin行xing確que切qie比bi較jiao。相xiang反fan，首shou先xian必bi須xu量liang化hua樣yang本ben的de誤wu差cha幅fu度du，然ran後hou再zai確que定ding是shi轉zhuan換huan錯cuo誤wu，還hai是shi在zai轉zhuan換huan器qi和he係xi統tong的de預yu期qi非fei線xian性xing範fan圍wei內nei。

ADC後端數字接口的誤碼率必須低於轉換器的內核CER，因此無法忽視。如果並非如此，那麼數據輸出傳輸誤差將覆蓋CER並成為主要誤差來源。係統設計人員實際並不關心誤差來自ADC的哪一部分，但是，出於討論目的
，我們將僅關注ADC轉換誤碼率。

亞穩態

高速ADC中造成轉換錯誤的一個常見原因是一種稱為亞穩態的現象。高速ADC在zai將jiang模mo擬ni信xin號hao轉zhuan換huan為wei數shu字zi值zhi的de不bu同tong轉zhuan換huan級ji中zhong往wang往wang會hui使shi用yong很hen多duo梯ti形xing比bi較jiao器qi。如ru果guo比bi較jiao器qi無wu法fa確que定ding模mo擬ni輸shu入ru是shi高gao於yu還hai是shi低di於yu其qi參can考kao點dian時shi，就jiu會hui產chan生sheng可ke能neng導dao致zhi出chu現xian錯cuo誤wu代dai碼ma的de亞ya穩wen態tai結jie果guo。當dang兩liang個ge比bi較jiao器qi的de輸shu入ru之zhi差cha幅fu度du非fei常chang小xiao或huo為wei零ling時shi，就jiu可ke能neng發fa生sheng這zhe種zhong情qing況kuang，此ci時shi無wu法fa進jin行xing正zheng確que比bi較jiao。由you於yu此ci錯cuo誤wu值zhi會hui沿yan著zhe流liu水shui線xian傳chuan播bo，因yin此ciADC可能產生重大的轉換錯誤。

當(dang)差(cha)分(fen)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)為(wei)相(xiang)對(dui)較(jiao)大(da)的(de)正(zheng)值(zhi)或(huo)負(fu)值(zhi)時(shi)
，比(bi)較(jiao)器(qi)可(ke)以(yi)快(kuai)速(su)計(ji)算(suan)出(chu)差(cha)值(zhi)並(bing)給(gei)出(chu)明(ming)確(que)決(jue)定(ding)。當(dang)差(cha)分(fen)值(zhi)很(hen)小(xiao)或(huo)為(wei)零(ling)時(shi)，比(bi)較(jiao)器(qi)做(zuo)出(chu)決(jue)定(ding)所(suo)需(xu)的(de)持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)會(hui)長(chang)很(hen)多(duo)。如(ru)果(guo)在(zai)此(ci)決(jue)定(ding)點(dian)之(zhi)前(qian)比(bi)較(jiao)器(qi)輸(shu)出(chu)鎖(suo)存(cun)
，則(ze)將(jiang)產(chan)生(sheng)亞(ya)穩(wen)態(tai)結(jie)果(guo)。

圖1. 此基本梯形比較器設計給出了比較器決定點的轉換故障概率性點(亞穩態)。假設AIN = VA，中間的比較器可能無法在有限轉換時間內分辨穩定的輸出，導致位[1]和位[0]具有多個可能的錯誤組合。

幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)，有(you)些(xie)設(she)計(ji)方(fang)案(an)可(ke)以(yi)減(jian)輕(qing)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)。首(shou)先(xian)
，最(zui)顯(xian)而(er)易(yi)見(jian)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)將(jiang)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)不(bu)確(que)定(ding)範(fan)圍(wei)設(she)計(ji)地(di)非(fei)常(chang)小(xiao)，迫(po)使(shi)比(bi)較(jiao)器(qi)在(zai)可(ke)能(neng)的(de)最(zui)大(da)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)條(tiao)件(jian)範(fan)圍(wei)內(nei)做(zuo)出(chu)準(zhun)確(que)決(jue)定(ding)。不(bu)過(guo)，這(zhe)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)電(dian)路(lu)功(gong)率(lv)和(he)設(she)計(ji)尺(chi)寸(cun)增(zeng)加(jia)。

第(di)二(er)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)盡(jin)量(liang)延(yan)遲(chi)比(bi)較(jiao)器(qi)采(cai)樣(yang)時(shi)間(jian)，給(gei)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)最(zui)長(chang)的(de)時(shi)間(jian)建(jian)立(li)至(zhi)已(yi)知(zhi)的(de)比(bi)較(jiao)器(qi)輸(shu)出(chu)值(zhi)。不(bu)過(guo)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)存(cun)在(zai)多(duo)個(ge)限(xian)製(zhi)，因(yin)為(wei)延(yan)遲(chi)最(zui)長(chang)也(ye)隻(zhi)能(neng)持(chi)續(xu)到(dao)當(dang)前(qian)采(cai)樣(yang)時(shi)間(jian)結(jie)束(shu)

，而(er)後(hou)比(bi)較(jiao)器(qi)必(bi)須(xu)繼(ji)續(xu)處(chu)理(li)下(xia)一(yi)次(ci)采(cai)樣(yang)。

第三種方法是采用智能錯誤檢測和校正算法
，該算法會對比較器在高速ADCzhuanhuanguochenghouxujieduanzhongyinrudebuquedingxingjinxingshuzibuchang。dangbijiaoqiweinengzaizuidayunxushijianneizuochujuedingshi，luojikejiancedaogaiqueshi。ranhou，cixinxikebeifujiadaoxiangguanyangbenshang
，yibianweilaijinxingneibutiaozheng。shibiechucijingbaoshi，keshiyonghouchulibuzhouzaiyangbencongzhuanhuanqishuchuqianjiuzhenggaicuowu。zhekeyicongtu2中的AD9625看出

，它是ADI公司的一款12位、2.5 GSPS ADC。

圖2. 可在AD9625的模數轉換過程內識別比較器的不確定性。可在後續步驟中執行校正命令以校正樣本，然後再從轉換器輸出。
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置信度

CER置信度(CL)是指在不精確到特定故障率的情況下對未來錯誤的外推預期。這可減少針對給定CER獲取的樣本總數，但代價是不能保證100%的確定性。從數學角度來說，要達到絕對100%的確定性，需要取得無限持續時間內的樣本。因此
，根據行業經驗

，95%的置信度已經相當接近已知值並且實現了不確定性和測量時間之間的平衡。如果將測試重複一百次
，則有95次可以準確識誤碼率。

有(you)時(shi)我(wo)們(men)會(hui)誤(wu)認(ren)為(wei)一(yi)旦(dan)在(zai)測(ce)試(shi)期(qi)間(jian)檢(jian)測(ce)到(dao)錯(cuo)誤(wu)
，該(gai)過(guo)程(cheng)就(jiu)會(hui)結(jie)束(shu)並(bing)找(zhao)到(dao)最(zui)終(zhong)的(de)轉(zhuan)換(huan)誤(wu)碼(ma)率(lv)。這(zhe)既(ji)不(bu)準(zhun)確(que)也(ye)不(bu)完(wan)整(zheng)。無(wu)論(lun)過(guo)程(cheng)中(zhong)是(shi)否(fou)有(you)錯(cuo)誤(wu)，都(dou)可(ke)以(yi)測(ce)試(shi)轉(zhuan)換(huan)誤(wu)碼(ma)率(lv)及(ji)相(xiang)關(guan)置(zhi)信(xin)度(du)。但(dan)是(shi)
，如(ru)果(guo)在(zai)給(gei)定(ding)置(zhi)信(xin)度(du)下(xia)檢(jian)測(ce)到(dao)錯(cuo)誤(wu)，則(ze)與(yu)沒(mei)有(you)錯(cuo)誤(wu)時(shi)的(de)樣(yang)本(ben)數(shu)相(xiang)比(bi)
，必(bi)須(xu)增(zeng)加(jia)測(ce)量(liang)的(de)樣(yang)本(ben)數(shu)量(liang)。此(ci)影(ying)響(xiang)如(ru)下(xia)圖(tu)3所示。

樣本數量

未檢測到錯誤時，公式有所簡化
，右邊的項等於零，結果僅取決於左邊的項。當置信度為95%且未檢測到錯誤時，所需的樣本數僅約為預期CER的倒數乘以3。精確到100%置信度時，即對於任何CER值都有CL = 1.0，從數學角度上需要獲取–ln(0)無窮大的無限樣本數(N)。

圖3. N*CER與置信度和錯誤檢測計數的關係曲線。注意，檢測到錯誤後可以繼續進行CER測試

，但是要實現相同的置信度
，則需要增加測量的樣本數。

誤差閾值

高速ADC中的所有轉換誤差並非都“生而平等”。誤差幅度很關鍵
，因為有些誤差絕對比其他誤差更重要。例如，一個或兩個最低有效位(LSB)誤差可能在係統的預期噪底之內，甚至可能不會影響瞬時性能。但是，最高有效位(MSB)誤差，乃至滿量程誤差可能造成係統故障事件。因此，CER測試需要具有一種機製或閾值來確定轉換中誤差的嚴重程度。

圖4. 可以看到來自ADCyangbendezhonggouzhengxianbo，tajuyoushangxianzhihexiaxianzhi。dangdaimachaochuxianzhihou，zebeishiweizhuanhuancuowu。chuyuyuzhifanweineidejiaoxiaofeixianxingyichangyangbenbuhuibeishiweizhuanhuancuowu。

轉換的誤差閾值應該包括ADC的已知線性不足，以及時鍾抖動和其他超出轉換器功能的係統噪聲。對於任何給定樣本，這些通常會累加為14位ADC的4或5個最低有效位(lsb)或16-32個代碼。根據ADC分辨率
、xitongxingnengheyingyongdewumalvyaoqiu，gaizhidedaxiaokenenglveyoubutong。shiyongciwuchadaiyulixiangzhijinxingbijiaohou
，chaochucixianzhideyangbenjiangbeishiweizhuanhuancuowu。zaichuantongshipinADC中，此錯誤被稱為“閃碼”，因為它會在視頻屏幕上產生亮白色像素閃爍。

可ke接jie受shou的de轉zhuan換huan器qi誤wu碼ma率lv很hen大da程cheng度du上shang取qu決jue於yu信xin號hao處chu理li係xi統tong和he係xi統tong誤wu差cha容rong差cha要yao求qiu。例li如ru，後hou院yuan移yi動dong藍lan牙ya對dui講jiang係xi統tong的de用yong戶hu可ke以yi容rong忍ren幾ji個ge小xiao時shi內nei發fa生sheng幾ji次ci錯cuo誤wu

，甚shen至zhi不bu會hui察cha覺jiao。對dui於yu航hang天tian衛wei星xing上shang的de任ren務wu關guan鍵jian型xing傳chuan感gan器qi電dian路lu板ban，則ze可ke能neng需xu要yao將jiang轉zhuan換huan器qi不bu確que定ding性xing降jiang至zhi最zui低di
，否fou則ze衛wei星xing可ke能neng從cong天tian上shang掉diao下xia來lai。退tui一yi步bu講jiang，即ji使shi沒mei那na麼me嚴yan重zhong，但dan也ye可ke能neng發fa生sheng極ji其qi糟zao糕gao的de事shi情qing
，例li如ru電dian視shi接jie收shou信xin號hao很hen差cha。
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曆史上測量的GSPS ADC轉換誤碼率一般不會低於1e-14。對於1e-12的誤碼率，這意味著轉換器在1e-12(1萬億)個樣本內不應出現轉換錯誤。1e-15的誤碼率意味著轉換器在1e-15(1百萬的四次方)個樣本範圍內不應出現轉換錯誤。雖然這些數字看起來很大
，但憑借當今先進轉換器技術的高采樣速率，對於CER測試仍然可以實現。但是，對於具有8 ns采樣速率的125 MSPS轉換器，1萬億次采樣將占用800秒(1e-12 × 8 ns)
，約十三分鍾。1百萬的四次方次采樣將占用800,000秒(1e-15 ×8 ns)，也即9.24天。要在這些誤碼率中實現95%的置信度
，則需要分別將這些采樣持續時間的每一個均乘以2.996。

圖5. CER與誤差幅度閾值的關係曲線。針對測試設定的誤差閾值限值(在ADC代碼中)會對給定置信度下的CER產生影響。

CER測試

下麵的簡化功能框圖給出了如何測試內部ADC內核的CER。在或接近ADC最(zui)大(da)編(bian)碼(ma)速(su)率(lv)下(xia)采(cai)樣(yang)時(shi)，可(ke)使(shi)用(yong)頻(pin)率(lv)相(xiang)對(dui)較(jiao)慢(man)的(de)正(zheng)弦(xian)波(bo)作(zuo)為(wei)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)。應(ying)對(dui)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)規(gui)劃(hua)，以(yi)便(bian)在(zai)忽(hu)視(shi)係(xi)統(tong)噪(zao)聲(sheng)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，兩(liang)個(ge)相(xiang)鄰(lin)樣(yang)本(ben)之(zhi)間(jian)的(de)預(yu)期(qi)絕(jue)對(dui)差(cha)不(bu)大(da)於(yu)1 LSB代碼。理想情況下，模擬輸入信號比滿量程稍大，以便運用ADC的所有代碼。應計算模擬輸入和編碼采樣速率，以便建立較長的一致性周期
，而ADC不在同一代碼級別進行一致采樣。

圖6. 圖中所示為CER測試的兩種采樣情形。頂部的情形是以比Fs/2稍快的速率對模擬信號進行采樣，其中僅每隔一個樣本比較一次。理想情況下，兩個連續樣本的不同之處不超過一個LSB代碼。下麵的情形是對相對較慢的模擬輸入進行過采樣，以便兩個相鄰樣本的不同之處也不超過一個LSB代碼。

係(xi)統(tong)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)計(ji)數(shu)器(qi)來(lai)跟(gen)蹤(zong)兩(liang)個(ge)相(xiang)鄰(lin)樣(yang)本(ben)之(zhi)間(jian)的(de)幅(fu)度(du)差(cha)值(zhi)超(chao)過(guo)閾(yu)值(zhi)限(xian)值(zhi)的(de)情(qing)況(kuang)，並(bing)將(jiang)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)計(ji)數(shu)為(wei)轉(zhuan)換(huan)錯(cuo)誤(wu)。該(gai)計(ji)數(shu)器(qi)必(bi)須(xu)保(bao)留(liu)整(zheng)個(ge)測(ce)試(shi)過(guo)程(cheng)中(zhong)錯(cuo)誤(wu)的(de)累(lei)加(jia)總(zong)數(shu)。為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)按(an)預(yu)期(qi)工(gong)作(zuo)

，還(hai)應(ying)記(ji)錄(lu)誤(wu)差(cha)幅(fu)度(du)與(yu)理(li)想(xiang)情(qing)況(kuang)之(zhi)間(jian)的(de)關(guan)係(xi)。測(ce)試(shi)需(xu)要(yao)的(de)時(shi)間(jian)將(jiang)基(ji)於(yu)采(cai)樣(yang)速(su)率(lv)、所需的測試轉換誤碼率和所需的置信度。

圖7. CER測試比較兩個連續ADC樣本和預定誤差閾值。計數器記錄錯誤發生次數
、幅值和采樣位置標識符。

測量與仿真

在選擇具有較低CER的ADC時，係統工程師應該能夠區分列出的實際可測規格與僅基於設計仿真例子的規格。例如，1 GSPS ADC在置信度為95%且無錯誤條件下CER為1e-18的表述要麼必須僅基於電路仿真，要麼必須進行近一個世紀長的連續測量。要將1e-18的CER精確到95% CL，即使使用相對較快的1 GSPS ADC且采樣速率為1 ns，也將消耗29.96億秒(2.996 × 1e18 × 1ns)，約95年。您希望自己的係統ADC轉換誤碼率單獨通過仿真的外推評估，還是根據實驗室中實際測量的結果進行指定?

與數字比特誤碼測試概念不同，即便是GSPS ADC轉換誤碼率測試
，也需要很長時間才能得到精確測量結果。需要將CER測試的置信度設為小於100%，因為無法無限期地進行測量。ADC采樣必須與閾值進行比較，然後才能確定其作為真正轉換誤差的重要性。實時測試係統會比較相鄰樣本，以獲取超出閾值的嚴重偏離。

典型轉換器架構可實現一些係統可接受的測量轉換誤碼率
，新的設計和錯誤檢測算法正推動限值實現更佳的性能。ADI的12位2.5 GSPS ADC AD9625分級比較型流水線內核使用專有技術檢測流水線處理前期的ADC轉換錯誤，然後處理和糾正後期的錯誤。這在12位GSPS ADC上實現了優於1e-15、CL為95%的行業一流測量CER。

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