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ADI技术大牛Rob与你一起讨论高速ADC的精度透视

amyma 在 2016-3-16 建立的討論區
最後回覆由MatthewTan於2017-11-16提供

ADC广泛用于各种应用中,尤其是需要处理模 拟传感器信号的测量系统,比如测量压力、流量、速度和温度的 数据采集系统(仅举数例)。在任何设计中,理解这些类型应用的总系统精度始终都是非常重 要的,尤其是那些需要对波形中极小的灵敏度和变化进行量化的系统。理想情况下,施加于信号链输入端的每一个伏特都由ADC 以数字表示一个伏特的输出。但是,事实并非如此。所有转换器 和信号链都存在与此相关的有限数量误差。

 

今天为大家分享的文章描述了与模数转换器本身相关的误差,还揭示了转换器内部的不精确性累积到何种程度即会导致这些误差。

 

 

ADC的不精确性

无论何种信号链,转换器都是系统的基本要素。为设计选择的任 何ADC都会决定系统的总精度。换言之,系统精度不可能高于转 换器的最低有效位(LSB)大小。为了表明这一点,让我们来看一个 简短的ADC不精确性指南。

 

首先,注意到由于ADC不是理想的,并且分辨率有限,因此它们 在输出端只能显示有限数量的信息表示。表示的信息数量由转换 器满量程输入除以2N 表示,N为转换器的理想位数。

QQ截图20160316102304.png

图1. ADC量化误差

 


例如,假设选择一个12位ADC,则它可在输出端以4096个数字表 示施加于转换器输入端的任何信号。这些表示信息确实存在有限 量的误差。因此,如果12位ADC的输入满量程(VFS)为10 V p-p,那 么其理想情况下的LSB大小为2.44 mV p-p,精度为±1.22 mV。

 

LSB = VFS/2N = 10/4096 = 2.44 mV = ±1.22 mV (公式1)

 

而实际上,ADC是非理想的。在转换器内部存在一定噪声, KT/C

 

甚至直流中也有噪声。记住,1 kΩ电阻等效于4 nV∙Hz (1 Hz带 宽,25°C)。注意,查看12位ADC数据手册时,SNR通常为大 约70 dB到72 dB。但是,根据下列公式,一个12位ADC理想情 况下应当具有74 dB:

 

SNR (dB) = 6.02 × N + 1.76 (公式2 )

 

因此,实际上12位分辨率是无法达到的,因为转换器本身存在一 定的不精确性,如图2所示。

QQ截图20160316102453.png图2. ADC的不精确性

 

 

这些不精确性或误差决定了转换器表示信号的效率,并最终为信 号链所接收。失调误差定义为传递函数无法通过零点的模拟值。 增益误差是失调误差为零时理想与实际传递函数之间的满量程数 值之差。通常意义上的线性度误差或非线性度是指零电平与满量 程之间的直线偏差,如图1所示。

 

 

有关ADC不精确性的更多信息

对最基本的模数转换器误差进行定义并有所了解后,再说明这些 误差的区别会有些帮助。大部分ADC的失调和增益都存在这种小 误差,通常可以忽略或通过外部模拟电路调节(消除),或者采用 数字技术校正。然而,诸如线性度、量化和温度系数等其他误差 无法轻易调节或消除。

 

模数转换器线性度只与转换器自身有关,即取决于架构和工艺变 化。有很多方法可以校正,但都很昂贵。设计人员有两种选择: 购买更好、成本更高的转换器,或采用数字手段校正线性度。数 字校正的成本也十分高昂。这意味着可能需要更多资源来指定 DSP或FPGA,因为线性度会随温度和工艺的变化而改变。根据采 样速率、IF和分辨率,数字校正可能需要广泛的特性表述和查找 表,以便即时校正或调节ADC的性能。

 

线性度有两种类型的误差:它们是差分非线性和积分非线性, 通常分别称为DNL和INL。DNL定义为偏离理想值的一切误差或偏 差。换言之,它表示两个相邻代码的模拟差与理想代码值VFS/2N 之间的偏差。可将其看作与ADC的SNR性能相关的因素。随着代 码的偏差越来越大,转换数也随之下降。该误差在温度范围内的 界限为±0.5 LSB,可保证无失码。

 

INL定义为零电平和满量程之间的理想直线近似曲率偏差。多数 情况下,INL决定了ADC的SFDR性能。INL总偏差形状可以决定最主 要的谐波性能。比如,INL曲线呈弓形会相应产生更差的偶次谐 波,而INL曲线呈S弓形则通常产生奇次谐波。该误差本质上与频 率有关,并与这类误差分析无关。

 

哪怕可以消除静态失调和增益误差,与失调和增益误差有关的温 度系数将会依然存在。

 

例如,一个12位ADC具有10 ppm增益误差,或FSR/°C = 0.001%/°C。 12位系统中的1 LSB为¼096,或者近似等于0.024%。

 

因此,若125°C ∆ (–40°C至+85°C),则产生±2.5 LSB增益温度系数 误差,或0.001% × 125 = 0.125%。

 

其中,0.125/0.024 = 5.1或±2.55 LSB。

 

对于失调温度系数,5 ppm失调误差或FSR/°C = 0.0005%/°C。

 

这将产生±1.3 LSB失调温度系数误差,或 0.0005% × 125 = 0.0625。其中,0.0625/0.024 = 2.6或±1.3 LSB。

結果