1.1 数据转换器介绍 - 直流参数

大家好

欢迎来到 TI 精密实验室 ADC 部分

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本次将会介绍 AD 转换中直流参数

包括输入电容、漏电流

输入阻抗、参考电压范围

积分非线性和差分非线性

首先是输入电容

SAR 型 ADC 的输入采样保持电路

通常在规格书中会给出

这里展示的是 ADS9110 的例子

当进行采样时输入电容为 60pF

当处于保持模式时

输入内容为 4pF

左图展示了 SAR 型 ADC 的简化模型

以便我们理解

什么是采样模式和保持模式

当进行采样时

S1开关闭合

60pF 电容与输入信号连接在一起到

AD 的输入端

采样的目的

是将输入信号对采样电容进行充电

这段时间称为采样周期

在保持模式下

S1 开关断开

ADC 开始转换采样的信号

这一段时间称为转换周期

在保持模式下

输入电容

等于输入二极管结构的寄生电容

通常为 4pF

右图展示了一个更加详尽的输入结构

包括了输入二极管

电阻、电容和开关

接下来是输入漏电流

输入漏电流是指

流入流出 ADC 输入端的直流电流

这个电流有器件内部 ESD 保护

和其他寄生参数引入

在进行建模分析时

可以把它看成一个直流电流源

加载到 ADC 的两个输入端口

通常是微安和纳安级

输入漏电流类似于运放的输入偏置电流

需要注意的是

电流的流向可以是任意方向的

这里的一个例子展示了

漏电流是如何流进各个阻抗

形成误差电压的

可以看出在这个例子中

每个输入端口均引入了一个

10μV 的误差电压

相应的输入端的漏电流为 1μA

但是一般而言

它的大小和极性可能是不同的

这个取决于不同的器件

通常规格书中给出的是典型值

但是实际中要比给出的值大很多

一般对于最大值的估计

我们可以使用三倍的标准差来计算

接下来是输入阻抗

很多情况下

数据转换器的输入阻抗是一个动态阻抗

动态阻抗是由输入漏电流

和输入电容开关充放电的结果

然而一些数据转换器中

有一个固定阻抗增益放大器

放大器的固定输入阻抗来自于

其增益设置电阻

输入阻抗可以用于计算输入漏电流

当输入漏电流流经阻抗时

流经电阻时

会产生一个误差

在这里给出的是 ADS8681 的例子

当输入 10V 信号时

计算输入漏电流的计算结果

这里在这个例子中

1000Ω 的阻抗也会产生增益误差

因为它和后面

可编程增益放大器的增益设置电阻

串联在了一起

因此，为了减小误差

建议尽可能的降低前端阻抗

接下来我们来看一下输入参考电压范围

大多数规格书中

将它定义为一个特定的参考电压值

通常这个电压作为

此转换器最常用的参考电压

在参考输入电压范围内

使用任何其他参考电压值

器件的性能与指定的电压值是相同的

在某些情况下

数据表中的曲线可以更好说明

参数是如何受不同参考电压影响的

这里给出了 ADS9110 的一个例子

在这个数据表中

给出了 2.5V 到 5V 这个指定的参考范围

在数据表的上面

指出了所有的参数

都是在参考电压为 5V 情况下测得的

这里呈现了几组曲线

可以更好让我们了解

不同参考电压

是如何影响器件的关键参数的

接下来是参考电流

SAR 型 ADC 的输入参考端

连接到了一组开关电容上

在转换周期时

开关电容连接到了比较电路

与参考电压比较

进行快速的充电和放电

对于整个转换周期中

输入参考电流最大的那个值

作为内部电容充电的起始位

这个表展示的是 ADS8881 的例子

可以看出在整个转化中

它的典型电流值是 300μA

这里的 300μA 是指的平均电流

因为实际电流最大可以达到 10mA

同时还需要注意的是

假如整个转换周期为 100nS

可能到达峰值之前的时间就有十几纳秒

一般情况下我们会在输入电容端

放置一个较大的滤波电容

以来满足电流的快速瞬态响应

同时参考端也会提供一个平均电流

来补充电容器之间的快速变化

一般情况下瞬变的时间相对较短

所以在 ADC 的参考端

会需要一个较宽的宽带缓冲区

一般的规格书中还会提供参考输入端的

解耦电容器

为了讨论 ADC 的非线性问题

首先需要先了解 ADC 的理想输出

这里呈现的是一个 ADC 的理想传输函数

水平轴表示连续的模拟输入信号

纵轴显示的是数字输出代码

可以被认为

将模拟输入信号近似到

随其最接近的数字等价水平

ADC 的满量程输入范围

在数字编码的总数上

是被等量划分的

也就是将这个图中的红色的虚线

转化成了阶梯性的蓝线

位数是指数字输出代码中

用于表示满量程模拟信号的二进制数字

在这个例子中我们有四位二进制数字

数字输入代码数量是2的4次方即16

它对应的是从二进制的 000 到 111

相应的十进制作为 0 到 15

需要注意的是

转换器的分辨率

对应于每个模拟信号的宽度

相当于模拟输入信号

最小可分辨的变化量

这里可以通过

采用满量程输入范围

除以总的位数来得到

在本次例子中

即用 2V 除以 2的4次方16

等于 0.125V

得到它的分辨率

从而得到最小有效宽度

也就是 0.125V

在同时需要注意的是

满量程输入范围为 0 到 2V

但最大可检测的输入电压是

是满量程减去一个 LSB，即 1.875V

首先来介绍 ADC 的差分非线性

差分非线性是用来测量

实际代码宽度与理想宽度的差值

从这个图中可以看出

一些代码的宽度要比实际宽度长或者更短

同时这里给出了差分非线性的计算公式

这个方程实际上是一个误差计算方法

使用实际测量代码宽度

减去理想的宽度除以理想的宽度

实际测量代码宽度是通过

减去两个相邻代码的转换

T[K] 和 T[K-1] 得到的

如果测量代码的宽度比理想代码宽度要长

则 DNL 为正

如果短，DNL 为负

如果与理想代码宽度相同

则差分非线性为零

在某些情况下

当动态非线性很大时

会导致完全跳过代码的转换

通常称为缺失代码

这里的一个例子表示了

ADC 数字输出完全跳过了 1001 这个情况

也就是没有任何输入信号

会导致 ADC 输出1001这个代码

丢失代码

是很多电子系统中非常严重的问题

因此现在大多数的 ADC

都会设计和测试这个参数

以保证它不会有这个问题

在实际应用中

规格书通常会提供一个无缺失代码

以说明这颗器件不会丢失代码

上面这里展示的是一个

没有丢失代码的数据表

这张幻灯片显示了

如何在数据表中表示

差分非线性的一个例子

对于传递函数中的每一个代码

我们都可以将测量代码宽度

与理想代码宽度进行比较

这边展示的是一个三位 ADC 101 时

差分非线性的一个计算结果

当输出代码为 101 时

它的宽度为 0.031

这要比理想宽度 0.125V 要小

所以它的DNL是负的

右图是一个更加实用的

18位 AD 转换的示例

这种情况下是将计算了

数千个 DNL

组合在一起形成了一个图示

可以看出

这颗器件的 DNL

通常是小于 0.5 个 LSB 的

上面这数据表

是 ADS9110 的差分非线性的值

为正负 0.75个 LSB

意味着所有的输出代码都经过了测试

均小于正负 0.75 LSB

接下来是积分非线性

积分非线性是用来测量 ADC 传递函数

与拟合直线的比较

为了消除增益和偏移误差

我们通常将实际 ADC 传递函数的

两个端点进行拟合

在这个例子中

绿色的线就表示拟合直线

从初始代码 000 到终止代码 111

对于一个理想的线性 ADC

它的拟合直线是处于传递函数的中间的

然而在这个情况下可以看出

被测的函数，即为蓝色这条线

它偏离了线性拟合

所以具有一个正的积分非线性

与差分非线性相同

积分非线性也可以表示在

ADC的输出代码上

可以用 LSB 来表示

也可以用满量程的百分比来表示

这里显示的是

积分非线性在数据表中的示例

以及以及它典型的积分非线性图

在数据表中可以看出

ADS9110 它的积分非线性

均小于正负 1.5 个 LSB

这下面这个图表示的是

ADS9110 积分非线性

与输出代码的一个典型非线性图

它是以 LSB 为单位进行表示的

以上就是本次的内容

谢谢观看

大家好

欢迎来到 TI 精密实验室 ADC 部分

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本次将会介绍 AD 转换中直流参数

包括输入电容、漏电流

输入阻抗、参考电压范围

积分非线性和差分非线性

首先是输入电容

SAR 型 ADC 的输入采样保持电路

通常在规格书中会给出

这里展示的是 ADS9110 的例子

当进行采样时输入电容为 60pF

当处于保持模式时

输入内容为 4pF

左图展示了 SAR 型 ADC 的简化模型

以便我们理解

什么是采样模式和保持模式

当进行采样时

S1开关闭合

60pF 电容与输入信号连接在一起到

AD 的输入端

采样的目的

是将输入信号对采样电容进行充电

这段时间称为采样周期

在保持模式下

S1 开关断开

ADC 开始转换采样的信号

这一段时间称为转换周期

在保持模式下

输入电容

等于输入二极管结构的寄生电容

通常为 4pF

右图展示了一个更加详尽的输入结构

包括了输入二极管

电阻、电容和开关

接下来是输入漏电流

输入漏电流是指

流入流出 ADC 输入端的直流电流

这个电流有器件内部 ESD 保护

和其他寄生参数引入

在进行建模分析时

可以把它看成一个直流电流源

加载到 ADC 的两个输入端口

通常是微安和纳安级

输入漏电流类似于运放的输入偏置电流

需要注意的是

电流的流向可以是任意方向的

这里的一个例子展示了

漏电流是如何流进各个阻抗

形成误差电压的

可以看出在这个例子中

每个输入端口均引入了一个

10μV 的误差电压

相应的输入端的漏电流为 1μA

但是一般而言

它的大小和极性可能是不同的

这个取决于不同的器件

通常规格书中给出的是典型值

但是实际中要比给出的值大很多

一般对于最大值的估计

我们可以使用三倍的标准差来计算

接下来是输入阻抗

很多情况下

数据转换器的输入阻抗是一个动态阻抗

动态阻抗是由输入漏电流

和输入电容开关充放电的结果

然而一些数据转换器中

有一个固定阻抗增益放大器

放大器的固定输入阻抗来自于

其增益设置电阻

输入阻抗可以用于计算输入漏电流

当输入漏电流流经阻抗时

流经电阻时

会产生一个误差

在这里给出的是 ADS8681 的例子

当输入 10V 信号时

计算输入漏电流的计算结果

这里在这个例子中

1000Ω 的阻抗也会产生增益误差

因为它和后面

可编程增益放大器的增益设置电阻

串联在了一起

因此，为了减小误差

建议尽可能的降低前端阻抗

接下来我们来看一下输入参考电压范围

大多数规格书中

将它定义为一个特定的参考电压值

通常这个电压作为

此转换器最常用的参考电压

在参考输入电压范围内

使用任何其他参考电压值

器件的性能与指定的电压值是相同的

在某些情况下

数据表中的曲线可以更好说明

参数是如何受不同参考电压影响的

这里给出了 ADS9110 的一个例子

在这个数据表中

给出了 2.5V 到 5V 这个指定的参考范围

在数据表的上面

指出了所有的参数

都是在参考电压为 5V 情况下测得的

这里呈现了几组曲线

可以更好让我们了解

不同参考电压

是如何影响器件的关键参数的

接下来是参考电流

SAR 型 ADC 的输入参考端

连接到了一组开关电容上

在转换周期时

开关电容连接到了比较电路

与参考电压比较

进行快速的充电和放电

对于整个转换周期中

输入参考电流最大的那个值

作为内部电容充电的起始位

这个表展示的是 ADS8881 的例子

可以看出在整个转化中

它的典型电流值是 300μA

这里的 300μA 是指的平均电流

因为实际电流最大可以达到 10mA

同时还需要注意的是

假如整个转换周期为 100nS

可能到达峰值之前的时间就有十几纳秒

一般情况下我们会在输入电容端

放置一个较大的滤波电容

以来满足电流的快速瞬态响应

同时参考端也会提供一个平均电流

来补充电容器之间的快速变化

一般情况下瞬变的时间相对较短

所以在 ADC 的参考端

会需要一个较宽的宽带缓冲区

一般的规格书中还会提供参考输入端的

解耦电容器

为了讨论 ADC 的非线性问题

首先需要先了解 ADC 的理想输出

这里呈现的是一个 ADC 的理想传输函数

水平轴表示连续的模拟输入信号

纵轴显示的是数字输出代码

可以被认为

将模拟输入信号近似到

随其最接近的数字等价水平

ADC 的满量程输入范围

在数字编码的总数上

是被等量划分的

也就是将这个图中的红色的虚线

转化成了阶梯性的蓝线

位数是指数字输出代码中

用于表示满量程模拟信号的二进制数字

在这个例子中我们有四位二进制数字

数字输入代码数量是2的4次方即16

它对应的是从二进制的 000 到 111

相应的十进制作为 0 到 15

需要注意的是

转换器的分辨率

对应于每个模拟信号的宽度

相当于模拟输入信号

最小可分辨的变化量

这里可以通过

采用满量程输入范围

除以总的位数来得到

在本次例子中

即用 2V 除以 2的4次方16

等于 0.125V

得到它的分辨率

从而得到最小有效宽度

也就是 0.125V

在同时需要注意的是

满量程输入范围为 0 到 2V

但最大可检测的输入电压是

是满量程减去一个 LSB，即 1.875V

首先来介绍 ADC 的差分非线性

差分非线性是用来测量

实际代码宽度与理想宽度的差值

从这个图中可以看出

一些代码的宽度要比实际宽度长或者更短

同时这里给出了差分非线性的计算公式

这个方程实际上是一个误差计算方法

使用实际测量代码宽度

减去理想的宽度除以理想的宽度

实际测量代码宽度是通过

减去两个相邻代码的转换

T[K] 和 T[K-1] 得到的

如果测量代码的宽度比理想代码宽度要长

则 DNL 为正

如果短，DNL 为负

如果与理想代码宽度相同

则差分非线性为零

在某些情况下

当动态非线性很大时

会导致完全跳过代码的转换

通常称为缺失代码

这里的一个例子表示了

ADC 数字输出完全跳过了 1001 这个情况

也就是没有任何输入信号

会导致 ADC 输出1001这个代码

丢失代码

是很多电子系统中非常严重的问题

因此现在大多数的 ADC

都会设计和测试这个参数

以保证它不会有这个问题

在实际应用中

规格书通常会提供一个无缺失代码

以说明这颗器件不会丢失代码

上面这里展示的是一个

没有丢失代码的数据表

这张幻灯片显示了

如何在数据表中表示

差分非线性的一个例子

对于传递函数中的每一个代码

我们都可以将测量代码宽度

与理想代码宽度进行比较

这边展示的是一个三位 ADC 101 时

差分非线性的一个计算结果

当输出代码为 101 时

它的宽度为 0.031

这要比理想宽度 0.125V 要小

所以它的DNL是负的

右图是一个更加实用的

18位 AD 转换的示例

这种情况下是将计算了

数千个 DNL

组合在一起形成了一个图示

可以看出

这颗器件的 DNL

通常是小于 0.5 个 LSB 的

上面这数据表

是 ADS9110 的差分非线性的值

为正负 0.75个 LSB

意味着所有的输出代码都经过了测试

均小于正负 0.75 LSB

接下来是积分非线性

积分非线性是用来测量 ADC 传递函数

与拟合直线的比较

为了消除增益和偏移误差

我们通常将实际 ADC 传递函数的

两个端点进行拟合

在这个例子中

绿色的线就表示拟合直线

从初始代码 000 到终止代码 111

对于一个理想的线性 ADC

它的拟合直线是处于传递函数的中间的

然而在这个情况下可以看出

被测的函数，即为蓝色这条线

它偏离了线性拟合

所以具有一个正的积分非线性

与差分非线性相同

积分非线性也可以表示在

ADC的输出代码上

可以用 LSB 来表示

也可以用满量程的百分比来表示

这里显示的是

积分非线性在数据表中的示例

以及以及它典型的积分非线性图

在数据表中可以看出

ADS9110 它的积分非线性

均小于正负 1.5 个 LSB

这下面这个图表示的是

ADS9110 积分非线性

与输出代码的一个典型非线性图

它是以 LSB 为单位进行表示的

以上就是本次的内容

谢谢观看