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如何计算集成放大器的ADC失调误差和输入阻抗

ADI_Amy 員工 在 2016-7-19 建立的討論區

ADC中集成的缓冲器和放大器通常是斩波型。因为与其他工艺(如双极性工艺)相比,CMOS晶体管噪声高,难以匹配,这种斩波技术可以用来最大程度地降低放大器的失调和闪烁噪声(1/f)。

1.webp.jpg    图1.闪烁噪声(1/f)与斩波

 

 

在斩波转换过程中,开关的电荷注入会引起电流尖峰,进而使施加于ADC输入端的电压产生方向不定(流入和/或流出)的下降或尖峰。压降与连接到ADC输入段的传感器的输出阻抗成比例。

 

 

平均电流值

一般而言,数据手册不会提供电流峰值,因为它难以测量,而且不会增加任何有意义的信息。该信息之所以无意义,是因为缓冲器的斩波频率高于ADC的输入信号带宽。因此,输入引脚上添加的低通滤波器(用来消除高于奈奎斯特频率的频率或信号音,或用来降低耦合噪声)会对峰值电流进行平均,如图2所示。

 

2.webp.jpg 图2.输入电流与时间的关系

 

 

用电流表测量输入电流,一端连接到VDD/2,另一端连接到ADC的模拟输入引脚。如果电流表连接到其中一个电压轨,由于输入电压裕量的关系,测得的电流可能高于数据手册中的规格值。

 

 

输入电流与输入阻抗的关系

输入阻抗规格对精确计算直流误差没有帮助,因为与ADC内部输入阻抗引起的负载效应相比,输入偏置电流是最主要的贡献因素。

 

 

有两个规格与输入偏置电流相关:绝对电流和差分电流

绝对值(IABSOLUTE)是在任意模拟输入引脚测得的输入电流;

差分输入电流(IDIFFERENTIAL)是在模拟输入引脚对之间测得的电流差。这仅适用于差分输入ADC。

 

 

如何计算直流误差

输入电流产生一个失调电压(VOFFSET),后者与连接到输入引脚的阻抗直接相关。如图3所示,产生的失调电压一般为:

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3.webp.jpg图3.漏电流引起的压降

 

 

如果用运算放大器等低阻抗源驱动模拟输入引脚,误差将不很明显。ADC测得的误差取决于施加的输入信号类型,例如是真差分输入信号还是伪差分/单端输入信号。

 

 

对于真差分输入信号,假设输入电阻(R)完全匹配,那么ADC测得的误差将是由模拟输入引脚对之间的差分输入电流引起,如下式所示:

 

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其中,VADC为ADC输入电压。

 

4.webp.jpg图4. 差分输入ADC

 

 

如果电阻不是完全匹配,则在差分输入电流贡献之外,电阻不匹配也会产生一个误差。一般而言,假设电阻容差为1%,那么最差情况下的失调电压定义如下:

 

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对于伪差分/单端输入信号,有两种情况:

  • 一个模拟输入连接到低阻抗源(参见图5)。误差定义为:

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5.webp.jpg图5. 伪差分/单端ADC

 

 

  • 两个输入均连接到高阻抗源(参见图6),误差与使用真差分信号的情况相同。

 

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图6. 伪差分ADC

 

 

交流误差

交流分量与输入阻抗规格直接相关,输入阻抗可以是阻性或容性。若输入阻抗为容性,则给定频率下的阻抗计算如下:

 

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其中:Zc为输入阻抗;CIN为数据手册给出的输入电容;fIN为输入频率。

举个例子,假设有8 pF电容和1 kHz输入带宽,则最小输入阻抗约为20 MΩ。

 

 

误差最小化

为使低通滤波器中电阻不匹配引起的误差最小,最好使用小电阻和大电容,因为电阻产生的失调和约翰逊噪声较低。

結果