模數(shù)轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)知識(shí)：ADC誤差如何影響系統(tǒng)性能

許多設(shè)計(jì)工程師會(huì)遇到ADC規(guī)格中的細(xì)微之處，這些細(xì)微之處通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能低于預(yù)期。本文介紹如何根據(jù)系統(tǒng)要求選擇ADC，并介紹進(jìn)行ADC測(cè)量時(shí)的各種誤差源。

使用 12 位分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 并不一定意味著您的系統(tǒng)將具有 12 位精度。有時(shí)，令工程師驚訝和驚愕的是，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能將遠(yuǎn)低于預(yù)期。當(dāng)在初始原型運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)時(shí)，隨之而來(lái)的是對(duì)更高性能ADC的瘋狂爭(zhēng)奪，隨著預(yù)生產(chǎn)構(gòu)建的截止日期的臨近，許多時(shí)間都需要重新修改設(shè)計(jì)。發(fā)生了什么事？與最初的分析相比有什么變化？對(duì)ADC規(guī)格的透徹了解將揭示通常導(dǎo)致性能低于預(yù)期性能的細(xì)微之處。了解ADC規(guī)格還有助于您為您的應(yīng)用選擇合適的ADC。

我們首先確定整體系統(tǒng)性能要求。系統(tǒng)中的每個(gè)組件都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的錯(cuò)誤;目標(biāo)是將總誤差保持在某個(gè)限制以下。通常，ADC是信號(hào)路徑中的關(guān)鍵元件，因此我們必須謹(jǐn)慎選擇合適的器件。對(duì)于ADC，在開始評(píng)估整體系統(tǒng)性能之前，假設(shè)轉(zhuǎn)換速率、接口、電源、功耗、輸入范圍和通道數(shù)要求是可以接受的。ADC的精度取決于幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，包括積分非線性誤差（INL）、失調(diào)和增益誤差、基準(zhǔn)電壓源精度、溫度效應(yīng)和交流性能。通常明智的做法是通過(guò)查看直流性能來(lái)開始ADC分析，因?yàn)锳DC使用過(guò)多的非標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試條件來(lái)衡量交流性能，從而更容易比較兩個(gè)基于直流規(guī)格的IC。直流性能一般會(huì)優(yōu)于交流性能。

系統(tǒng)要求

確定整體系統(tǒng)錯(cuò)誤的兩種常用方法是和方根 （RSS） 方法和最壞情況方法。使用 RSS 方法時(shí)，誤差項(xiàng)單獨(dú)平方，然后相加，然后取平方根。RSS 錯(cuò)誤預(yù)算由下式給出：

其中 EN表示特定電路元件或參數(shù)的術(shù)語(yǔ)。當(dāng)所有錯(cuò)誤項(xiàng)不相關(guān)時(shí)（可能是也可能不是這種情況），此方法最準(zhǔn)確。對(duì)于最壞情況下的錯(cuò)誤分析，所有錯(cuò)誤項(xiàng)都會(huì)相加。此方法保證錯(cuò)誤永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)指定的限制。由于它設(shè)置了錯(cuò)誤嚴(yán)重程度的限制，因此實(shí)際誤差始終小于此值（通常要少得多）。

測(cè)量誤差通常介于兩種方法給出的值之間，但通常更接近RSS值。請(qǐng)注意，根據(jù)誤差預(yù)算，可以使用誤差項(xiàng)的典型或最壞情況值。該決定基于許多因素，包括測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差、該特定參數(shù)的重要性、誤差相對(duì)于其他誤差的大小等。所以真的沒(méi)有必須遵守的硬性規(guī)定。對(duì)于我們的分析，我們將使用最壞情況的方法。

在這個(gè)例子中，假設(shè)我們需要 0.1% 或 10 位的精度（1/210），因此選擇分辨率高于此分辨率的轉(zhuǎn)換器是有意義的。如果我們選擇一個(gè) 12 位轉(zhuǎn)換器，我們可以假設(shè)它就足夠了;但是如果不檢查規(guī)范，就不能保證 12 位性能（可能更好或更差）。例如，具有12LSB積分非線性誤差的4位ADC最多只能提供10位精度（假設(shè)失調(diào)和增益誤差已校準(zhǔn)）。具有0.5LSB的INL器件可以提供0.0122%的誤差或13位的精度（去除增益和失調(diào)誤差）。要計(jì)算最佳情況下的精度，請(qǐng)將最大 INL 誤差除以 2N，其中 N 是位數(shù)。在我們的示例中，允許ADC的誤差為0.075%（或11位），其余電路的誤差為0.025%，其中包括來(lái)自傳感器、相關(guān)前端信號(hào)調(diào)理電路（運(yùn)算放大器、多路復(fù)用器等）以及信號(hào)路徑中可能的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、PWM信號(hào)或其他模擬輸出信號(hào)的誤差。

我們假設(shè)整個(gè)系統(tǒng)將有一個(gè)基于信號(hào)路徑中每個(gè)電路組件的誤差項(xiàng)總和的總誤差預(yù)算。我們將做出的其他假設(shè)是，我們正在測(cè)量具有1kHz帶寬的緩慢變化，直流型雙極性輸入信號(hào)，并且我們的工作溫度范圍為0°C至70°C，性能保證為0°C至50°C。

直流性能

微分非線性

雖然沒(méi)有提到差分非線性（DNL）誤差作為ADC的關(guān)鍵參數(shù)，但首先要觀察的是。DNL 顯示代碼與相鄰代碼的距離。測(cè)量距離為輸入電壓幅度的變化，然后轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)SB（圖1）。請(qǐng)注意，INL 是 DNL 錯(cuò)誤的積分，這就是為什么 DNL 不包括在我們的關(guān)鍵參數(shù)列表中的原因。ADC良好性能的關(guān)鍵是“無(wú)失碼”這一主張。這意味著，當(dāng)輸入電壓被掃描到其范圍內(nèi)時(shí)，所有輸出代碼組合都將出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器輸出端。<±1LSB的DNL錯(cuò)誤保證沒(méi)有丟失代碼（圖1a）。在圖1b、1c和1d中，顯示了三個(gè)DNL誤差值。DNL 誤差為 -0.5LSB（圖 1b），保證器件沒(méi)有失碼。當(dāng)值等于-1LSB（圖1c）時(shí)，不一定保證器件沒(méi)有失碼。請(qǐng)注意，缺少代碼 10。但是，大多數(shù)指定最大DNL誤差為+/-1的ADC會(huì)明確說(shuō)明器件是否有缺失代碼。由于生產(chǎn)測(cè)試限值實(shí)際上比數(shù)據(jù)手冊(cè)限值更嚴(yán)格，因此通?？梢员ＷC沒(méi)有漏碼。DNL 值大于 -1（圖 1d 中的 -5.1LSB）時(shí)，設(shè)備缺少代碼。

圖 1a. DNL 錯(cuò)誤：沒(méi)有丟失代碼。

圖 1c. DNL 錯(cuò)誤：缺少代碼 10。

圖 1d. DNL 錯(cuò)誤：在在*數(shù)字代碼可以是三個(gè)可能的值之一。當(dāng)輸入電壓被掃描時(shí)，代碼10將丟失。

當(dāng)DNL誤差值偏移（即-1LSB、+2LSB）時(shí)，ADC傳遞函數(shù)會(huì)發(fā)生變化。理論上，偏移 DNL 值仍然可以沒(méi)有缺失代碼。關(guān)鍵是將 -1LSB 作為下限。請(qǐng)注意，DNL是在一個(gè)方向上測(cè)量的，通常是傳遞函數(shù)的上升。將代碼 [N] 處的轉(zhuǎn)換所需的輸入電壓電平與代碼 [N+1] 處的輸入電壓電平進(jìn)行比較。如果相差 1LSB，則 DNL 誤差為零。如果大于 1LSB，則 DNL 誤差為正;如果小于 1LSB，則 DNL 誤差為負(fù)數(shù)。

缺少代碼并不一定是壞事。如果您只需要 13 位分辨率，并且您可以選擇 DNL 規(guī)格為 < = +/-16LSB DNL（實(shí)際上是 4 位，無(wú)失碼）的 14 位 ADC（實(shí)際上是 5 位，無(wú)失碼）和 DNL 為 < = +/-16LSB 的 1 位 ADC（成本為 15 美元），那么購(gòu)買較低檔次版本的 ADC 將大大降低元件成本，同時(shí)仍能滿足您的系統(tǒng)要求。

國(guó)際禁毒局

INL 被定義為 DNL 誤差的積分，因此良好的 INL 保證了良好的 DNL。INL誤差表明測(cè)量的轉(zhuǎn)換器結(jié)果與理想傳遞函數(shù)值相差多遠(yuǎn)。繼續(xù)我們的示例，2位系統(tǒng)中的INL誤差為+/-12LSB，這意味著最大非線性誤差可能偏離2/4096或0.05%（這已經(jīng)是分配的ADC誤差預(yù)算的三分之二左右）。因此，需要1LSB（或更好）的部件。當(dāng)+/-1LSB INL誤差時(shí)，精度為0.0244%，占分配的ADC誤差預(yù)算的32.5%。規(guī)格為0.5LSB時(shí)，精度為0.012%，這僅占ADC誤差預(yù)算限值的16%（0.012%/0.075%）左右。請(qǐng)注意，INL 和 DNL 誤差都無(wú)法輕松校準(zhǔn)或糾正。

失調(diào)和增益誤差

失調(diào)和增益誤差可以使用微控制器（μC）或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）輕松校準(zhǔn)。由于失調(diào)誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)換器允許雙極性輸入信號(hào)時(shí)，測(cè)量非常簡(jiǎn)單。在雙極性系統(tǒng)中，失調(diào)誤差會(huì)移動(dòng)傳遞函數(shù)，但不會(huì)減少可用代碼的數(shù)量（圖 2）。有兩種方法可以將雙極誤差歸零。首先，您移動(dòng)傳遞函數(shù)的 x 軸和 y 軸，使負(fù)滿量程點(diǎn)與單極系統(tǒng)的零點(diǎn)對(duì)齊（圖 3a）。使用這種技術(shù)，您只需消除失調(diào)誤差，然后通過(guò)圍繞“新”零點(diǎn)旋轉(zhuǎn)傳遞函數(shù)來(lái)調(diào)整增益誤差。第二種技術(shù)需要使用迭代方法。首先對(duì)ADC輸入施加零伏電壓并執(zhí)行轉(zhuǎn)換;轉(zhuǎn)換結(jié)果表示雙極性零點(diǎn)失調(diào)誤差。然后通過(guò)圍繞負(fù)滿量程點(diǎn)旋轉(zhuǎn)曲線來(lái)執(zhí)行增益調(diào)整（圖3b）。請(qǐng)注意，傳遞函數(shù)圍繞點(diǎn) A 旋轉(zhuǎn)，這會(huì)將零點(diǎn)從所需的傳遞函數(shù)移開。因此，可能需要后續(xù)的失調(diào)誤差校準(zhǔn)。

圖2.雙極性失調(diào)誤差。

圖 3a

圖 3b.
圖3a和3b。校準(zhǔn)雙極性失調(diào)誤差。（注意：階梯傳遞函數(shù)已被直線取代，因?yàn)榇藞D顯示了所有代碼，并且步長(zhǎng)非常小，以至于該線似乎是線性的。

單極系統(tǒng)有點(diǎn)棘手。如果失調(diào)為正，則使用與雙極性電源相同的方法。這里的區(qū)別在于，您損失了ADC的部分范圍（見(jiàn)圖4）。如果偏移為負(fù)，則不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行轉(zhuǎn)換并期望結(jié)果表示偏移誤差。低于零，轉(zhuǎn)換器將只顯示零。因此，對(duì)于負(fù)失調(diào)誤差，必須緩慢增加輸入電壓，以確定第一個(gè)ADC轉(zhuǎn)換發(fā)生的位置。在這里，您將再次失去部分ADC范圍。

圖4.單極性偏移誤差。

回到我們的示例，下面給出了失調(diào)誤差的兩種情況：

如果失調(diào)誤差為+8mV，則采用2.5V基準(zhǔn)時(shí)，相當(dāng)于13位ADC （12mV/[8.2V/5）的誤差為4096LSB。雖然分辨率仍為12位，但必須從每個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果中減去13個(gè)代碼以補(bǔ)償失調(diào)誤差。請(qǐng)注意，在這種情況下，實(shí)際的、可測(cè)量的滿量程值現(xiàn)在為 2.5V （4083/4096） = 2.492V。高于此值的任何值都將超出ADC的范圍。因此，ADC的動(dòng)態(tài)范圍或輸入值范圍已減小。這對(duì)于更高分辨率的ADC更為重要;8mV 表示 210 位電平 （V裁判= 2.5V）。

如果失調(diào)為-8mV （假設(shè)為單極性輸入），則在模擬輸入超過(guò)+8mV之前，在執(zhí)行轉(zhuǎn)換時(shí)不會(huì)記錄接近零的小模擬輸入值。這也降低了ADC的動(dòng)態(tài)范圍。

增益誤差定義為滿量程誤差減去失調(diào)誤差（圖 5）。滿量程誤差是在傳遞函數(shù)曲線上的最后一個(gè)ADC躍遷處測(cè)量的，并與理想的ADC傳遞函數(shù)進(jìn)行比較。增益誤差在具有線性函數(shù) y = （m1/m2）（x） 的軟件中很容易校正，其中 m1 是理想傳遞函數(shù)的斜率，m2 是測(cè)量傳遞函數(shù)的斜率（圖 5）。

圖5.失調(diào)、增益和滿量程誤差。

增益誤差規(guī)格可能包括也可能不包括ADC基準(zhǔn)電壓源引起的誤差。在電氣規(guī)格中，重要的是要檢查條件，以了解如何測(cè)試增益誤差，并確定是使用內(nèi)部基準(zhǔn)還是外部基準(zhǔn)電壓源執(zhí)行增益誤差。通常，當(dāng)使用片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源時(shí)，增益誤差要差得多。如果增益誤差為零，則當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)換時(shí)，當(dāng)施加滿量程模擬輸入時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果將開始產(chǎn)生所有誤差（在我們的3位示例中為12FFh）（見(jiàn)圖6）。由于我們的轉(zhuǎn)換器并不理想，當(dāng)施加大于滿量程的電壓（負(fù)增益誤差）或施加小于滿量程的電壓（正增益誤差）時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果中最初可能會(huì)得到所有<>。調(diào)整增益誤差的兩種方法是調(diào)整基準(zhǔn)電壓，使其在特定基準(zhǔn)電壓值下輸出滿量程，或者使用軟件中的線性校正曲線來(lái)改變ADC傳遞函數(shù)曲線的斜率（可以使用一階線性方程或查找表）。

圖6.增益誤差會(huì)減小動(dòng)態(tài)范圍。

與失調(diào)誤差一樣，增益誤差會(huì)損失動(dòng)態(tài)范圍。例如，如果施加滿量程輸入電壓，并且獲得的代碼是4050而不是理想的4096（對(duì)于12位轉(zhuǎn)換器），則定義為負(fù)增益誤差，在這種情況下，將不使用高46代碼。類似地，如果在輸入電壓小于滿量程時(shí)出現(xiàn)滿量程代碼4096，ADC的動(dòng)態(tài)范圍將再次減小（見(jiàn)圖6）。請(qǐng)注意，對(duì)于正滿量程誤差，校準(zhǔn)時(shí)間不能超過(guò)轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換結(jié)果中給出所有誤差的點(diǎn)。

處理失調(diào)和增益誤差的最簡(jiǎn)單方法是找到一個(gè)值足夠低的ADC，這樣就不必進(jìn)行校準(zhǔn)。很容易找到失調(diào)和增益誤差小于12LSB的4位ADC。

其他細(xì)微的錯(cuò)誤源

碼邊噪聲

代碼邊緣噪聲是在傳遞函數(shù)的代碼轉(zhuǎn)換處出現(xiàn)的噪聲量。數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常沒(méi)有指定。即使是更高分辨率的轉(zhuǎn)換器（16+位），由于LSB尺寸較小，代碼邊緣噪聲更為普遍，通常也不會(huì)指定代碼邊緣噪聲。有時(shí)，代碼邊緣噪聲可能是幾個(gè)LSB。 使用代碼邊沿的模擬輸入執(zhí)行的轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致LSB中的代碼閃爍。 顯著的代碼邊緣噪聲意味著必須取平均樣本才能有效地從轉(zhuǎn)換器結(jié)果中消除該噪聲。需要多少樣品？如果代碼邊緣噪聲為2/3LSB RMS，則相當(dāng)于大約4LSB p-p。必須采集 1 個(gè)樣本才能將噪聲降低到 <>LSB（樣本數(shù)量的平方根決定了性能的提高）。

參考資料

采用內(nèi)部或外部基準(zhǔn)電壓源的ADC中最大的潛在誤差源之一是基準(zhǔn)電壓。通常，如果基準(zhǔn)電壓源包含在片內(nèi)，則無(wú)法充分指定。要了解基準(zhǔn)誤差的來(lái)源，必須特別了解三個(gè)規(guī)格：溫度漂移、電壓噪聲和負(fù)載調(diào)整率。

溫度漂移

溫度漂移是數(shù)據(jù)手冊(cè)中最容易忽略的規(guī)格。例如，請(qǐng)注意溫度漂移如何影響基于分辨率的ADC轉(zhuǎn)換器的性能（圖7）。為了使12位轉(zhuǎn)換器在擴(kuò)展溫度范圍（-40°C至+85°C）內(nèi)保持精度，漂移必須最大為4ppm/°C。 遺憾的是，沒(méi)有ADC轉(zhuǎn)換器具有這種片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源性能。如果我們放寬要求，10度的溫度偏移意味著12位ADC基準(zhǔn)電壓源的漂移不超過(guò)25ppm/°C，這對(duì)于片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源來(lái)說(shuō)也是一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)格的要求。原型制作通常不會(huì)揭示此錯(cuò)誤的重要性，因?yàn)榱慵ǔ?lái)自相似的批次，因此測(cè)試結(jié)果沒(méi)有考慮到由于制造工藝變化而導(dǎo)致規(guī)格中發(fā)生的極端情況。

圖7.基準(zhǔn)電壓源漂移要求與ADC分辨率有關(guān)。

對(duì)于某些系統(tǒng)，基準(zhǔn)精度不是一個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)闇囟缺３趾愣?，消除了漂移?wèn)題。一些系統(tǒng)使用比率測(cè)量，其中參考誤差被消除，因?yàn)榧?lì)傳感器的相同信號(hào)被用作參考電壓（圖 8）。由于激勵(lì)源和基準(zhǔn)電壓源作為一個(gè)整體移動(dòng)，因此消除了漂移誤差。

圖8.比率式ADC轉(zhuǎn)換。

在其他系統(tǒng)中，校準(zhǔn)執(zhí)行的頻率足夠高，以便有效地消除基準(zhǔn)電壓漂移。在其他系統(tǒng)中，絕對(duì)精度并不重要，但相對(duì)精度才是關(guān)鍵。因此，基準(zhǔn)電壓源會(huì)隨時(shí)間緩慢漂移，系統(tǒng)將提供所需的精度。

電壓噪聲

另一個(gè)重要的規(guī)格是電壓噪聲。它通常指定為 RMS 值或峰峰值。將 RMS 值轉(zhuǎn)換為峰峰值，以評(píng)估其對(duì)性能的影響。如果一個(gè)2.5V基準(zhǔn)的輸出端有500μV的峰峰值電壓噪聲（或83μV RMS），則該噪聲代表0.02%的誤差或勉強(qiáng)為12位的性能，這是在考慮任何轉(zhuǎn)換器誤差之前。理想情況下，我們的基準(zhǔn)噪聲性能應(yīng)僅為L(zhǎng)SB的一小部分，以免限制ADC的性能。采用片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源的ADC通常不指定電壓噪聲，因此誤差由用戶決定。如果您沒(méi)有獲得所需的性能，并且使用的是內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，請(qǐng)嘗試使用非常好的外部基準(zhǔn)電壓源來(lái)確定片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源是否實(shí)際上是罪魁禍?zhǔn)住?/p>

負(fù)載調(diào)整率

最終規(guī)格是參考負(fù)載調(diào)整率。ADC使用的基準(zhǔn)電壓源通常具有足夠的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)其他器件，因此其他IC也使用它。這些其他元件消耗的電流會(huì)影響基準(zhǔn)電壓源，這意味著隨著消耗的電流增加，基準(zhǔn)電壓將下降。如果使用基準(zhǔn)電壓源的器件間歇性地打開和關(guān)閉，則結(jié)果將是上下移動(dòng)的基準(zhǔn)電壓。對(duì)于0.55V基準(zhǔn)，2.5μV/μA基準(zhǔn)負(fù)載調(diào)整率規(guī)格意味著，如果其他器件消耗800μA電流，基準(zhǔn)電壓將變化至440μV，即.0176% （440μV/2.5V）或幾乎是可用誤差幅度的20%。

其他溫度影響

繼續(xù)討論溫度問(wèn)題，通常很少關(guān)注的兩個(gè)規(guī)格是失調(diào)漂移和增益漂移。這些規(guī)格通常僅作為典型數(shù)字給出，由用戶確定規(guī)格是否足以滿足其系統(tǒng)要求。失調(diào)和增益漂移值可以通過(guò)幾種不同的方式進(jìn)行補(bǔ)償。一種方法是完全表征失調(diào)和增益漂移，并在存儲(chǔ)器中提供一個(gè)查找表，以隨著溫度變化調(diào)整值。然而，這是一個(gè)繁瑣的過(guò)程，因?yàn)槊總€(gè)ADC必須單獨(dú)補(bǔ)償，而且補(bǔ)償過(guò)程非常耗時(shí)。第二種方法是在發(fā)生顯著的溫度變化時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。

對(duì)于進(jìn)行一次性溫度校準(zhǔn)的系統(tǒng)，注意漂移規(guī)格非常重要。如果校準(zhǔn)初始偏移并且溫度移動(dòng)，則由于漂移項(xiàng)而引入誤差，從而抵消校準(zhǔn)的影響。例如，假設(shè)讀數(shù)是在溫度 X 下完成的。一段時(shí)間后，溫度發(fā)生了10°C的變化，并進(jìn)行了完全相同的測(cè)量。這兩個(gè)讀數(shù)可能會(huì)給出不同的結(jié)果，從而質(zhì)疑系統(tǒng)的可重復(fù)性和可靠性。

制造商不給出最大限制是有充分理由的：這增加了成本。漂移測(cè)試需要特殊的電路板，并且必須在測(cè)試流程中添加一個(gè)額外的步驟（相當(dāng)于額外的制造成本），以確保零件不超過(guò)最大漂移限制。

增益漂移是一個(gè)更大的問(wèn)題，特別是對(duì)于使用內(nèi)部基準(zhǔn)測(cè)試的器件。在這種情況下，基準(zhǔn)漂移可以包含在增益漂移參數(shù)中。對(duì)于外部基準(zhǔn)，IC的增益漂移通常相當(dāng)小，如0.8ppm/°C。 因此，+/-10度的溫度變化會(huì)導(dǎo)致+/-8ppm的變化。請(qǐng)注意，12 位性能等于 244ppm （1/4096 = 0.0244% = 244ppm）。因此，我們看到一個(gè)誤差，該錯(cuò)誤僅代表 12 位級(jí)別 LSB 的一小部分。

交流性能

某些ADC僅在輸入信號(hào)等于直流或接近直流時(shí)表現(xiàn)良好。其他器件在從直流到奈奎斯特的輸入信號(hào)下表現(xiàn)良好。僅僅因?yàn)镈NL和INL滿足系統(tǒng)要求并不意味著轉(zhuǎn)換器在考慮交流信號(hào)時(shí)將提供相同的性能。DNL 和 INL 是直流測(cè)試。我們必須查看交流規(guī)格才能對(duì)交流性能有良好的感覺(jué)。數(shù)據(jù)手冊(cè)中的電氣特性表和典型工作特性提供了交流性能的線索。要審查的關(guān)鍵規(guī)格是信噪比 （SNR）、信噪比和失真比 （SINAD）、總諧波失真 （THD） 和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 （SFDR）。要審查的第一個(gè)規(guī)范是SINAD或SNR。SINAD定義為輸入正弦波的RMS值與轉(zhuǎn)換器噪聲的RMS值（從直流到奈奎斯特頻率，包括諧波[總諧波失真]成分）。諧波發(fā)生在輸入頻率的倍數(shù)處（見(jiàn)圖9）。信噪比與SINAD類似，只是它不包括諧波成分。因此，信噪比應(yīng)始終優(yōu)于SINAD。SINAD 和 SNR 通常以 dB 表示。

其中 N 是位數(shù)。對(duì)于理想的12位轉(zhuǎn)換器，SINAD為74dB。如果用N重寫這個(gè)方程，它將揭示有多少位信息作為RMS噪聲的函數(shù)：

此等式是有效位數(shù)或 ENOB 的定義。

圖9.FFT圖揭示了ADC的交流性能。

請(qǐng)注意，SINAD 是輸入頻率的函數(shù)。隨著頻率向奈奎斯特極限增加，SINAD降低。如果數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格是在與奈奎斯特頻率相比的低頻下測(cè)試的，則可以打賭，在奈奎斯特頻率附近，性能會(huì)差得多。在數(shù)據(jù)手冊(cè)的典型工作特性中查找ENOB圖。ENOB隨頻率而降低，主要是因?yàn)殡S著輸入頻率的增加，THD變得越來(lái)越差。例如，在目標(biāo)頻率下SINAD最小值為68dB時(shí)，獲得的ENOB值為11。因此，由于轉(zhuǎn)換器的噪聲和失真性能，您丟失了1位信息。這意味著您的 12 位轉(zhuǎn)換器最多只能提供 0.05% 的精度。請(qǐng)記住，INL 是 DC 規(guī)范;ENOB是說(shuō)明交流信號(hào)非線性的規(guī)范。

SNR是去除失真分量的信噪比。SNR揭示了轉(zhuǎn)換器的本底噪聲位置。作為輸入頻率的函數(shù)，SNR可能會(huì)急劇下降，這意味著轉(zhuǎn)換器不是為接近該點(diǎn)的頻率而設(shè)計(jì)的。提高SNR的一種方法是過(guò)采樣，這提供了處理增益。過(guò)采樣是一種通過(guò)以遠(yuǎn)高于目標(biāo)信號(hào)的速率采樣來(lái)降低轉(zhuǎn)換器本底噪聲的方法。這樣可以在頻域中將噪聲分散到更寬的范圍內(nèi)，從而有效地降低任何一個(gè)頻率bin處的噪聲。2倍過(guò)采樣可將本底噪聲降低3dB。

SFDR定義為輸入正弦波的RMS值與使用FFT圖在頻域中觀察到的最大雜散的RMS值之比。它通常以dB表示。SFDR在某些需要最大化ADC動(dòng)態(tài)范圍的通信應(yīng)用中非常重要。雜散會(huì)阻止ADC轉(zhuǎn)換小輸入信號(hào)，因?yàn)槭д娣至靠赡鼙饶繕?biāo)信號(hào)大得多。這限制了ADC的動(dòng)態(tài)范圍。請(qǐng)注意，頻域中的大雜散可能不會(huì)顯著影響SNR，但會(huì)顯著影響SFDR。

結(jié)語(yǔ)

回到ADC示例，假設(shè)我們正在測(cè)量直流型信號(hào)，并且我們的ADC接受雙極性輸入信號(hào)。我們選擇MAX1241的B級(jí)，其具有1LSB DNL誤差、1LSB INL誤差（0.0244%）、3LSB失調(diào)誤差（3/4096 = 0.0732%）和4LSB （0.0977%）增益。將誤差相加，我們得到的總誤差為 0.1953%。我們可以校準(zhǔn)失調(diào)和增益誤差，將誤差降至0.0244%。只要我們的基準(zhǔn)電壓誤差小于0.075% - 0.024% = 0.051%，我們就在誤差預(yù)算范圍內(nèi)。5ppm/°C漂移超過(guò)50度相當(dāng)于0.025%的漂移誤差，剩余0.026%的誤差預(yù)算。對(duì)于12位性能，我們需要一個(gè)電壓-噪聲規(guī)格遠(yuǎn)小于1LSB（2.5V/4096 = 610μV峰峰值或102μV RMS）的基準(zhǔn)電壓源。MAX6166是具有5ppm/°C漂移和30μV RMS寬帶電壓噪聲的理想選擇。它還具有充足的拉電流和灌電流能力，以驅(qū)動(dòng)ADC（如果需要，還可以使用其他電路）。請(qǐng)注意，30μV噪聲規(guī)格相當(dāng)于180μV峰峰值，在12位電平時(shí)為L(zhǎng)SB的三分之一，在11位電平下為L(zhǎng)SB的六分之一（這是我們的系統(tǒng)要求）。

快速檢查MAX1241增益漂移，發(fā)現(xiàn)在0°C溫度變化時(shí)，其規(guī)格為25.12ppm/°C或5.50ppm，完全符合規(guī)格。

現(xiàn)在我們有一個(gè)可行的解決方案，可以防止由于規(guī)范而導(dǎo)致的任何隱藏的性能問(wèn)題。請(qǐng)注意，對(duì)于此示例，我們根本沒(méi)有解決 AC 性能問(wèn)題。但是，隨著您對(duì)ADC規(guī)格及其與轉(zhuǎn)換器性能的關(guān)系有了更好的了解，您將掌握足夠的信息來(lái)選擇能夠?yàn)槟峁┧栊阅艿腁DC。

審核編輯：郭婷