1.ADC 直流规格：INL、DNL、Cin、泄漏、Vref

大家好，欢迎观看 TI 高精度实验室--

直流规格简介。

总体而言，该部分将 介绍典型 ADC 数据表中

列出的规格。

在本视频中，我们 将定义输入电容、

漏电流、输入 阻抗、基准电压

范围、积分非线性 和微分非线性。

首先说输入电容。

数据表中通常会 指定 SAR ADC 的

输入采样保持电容。

此幻灯片顶部 表格摘录自

ADS9110 数据表，显示输入

电容在采样模式下 通常为 60 皮法，

在保持模式下 通常为 4 皮法。

左侧显示的 SAR ADC 简化模型

有助于我们基本了解 采样模式和保持模式的

原理。

在采样模式下， 开关 S1 闭合。

这会将 60 皮法 电容器连接到

输入 AIN_P 上 施加的外部信号。

采样过程的目标 是将输入信号存储

到采样电容器上。

采样周期通常 称为采集周期。

在保持模式下， 开关 S1 断开，

ADC 将转换采样的信号。

该时间段通常 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 4 皮法。

更详细显示输入二极管、

电阻、电容和 开关的输入结构

如右侧所示。

现在来看输入漏电流。

输入漏电流是

流入或流出数据转换器 输入引脚的直流电流。

该电流产生于 内部 ESD 保护

结构和其他寄生结构。

该电流可建模为 两个 ADC 输入上的

直流电流源， 通常在纳安到

到微安级别。

您可以将输入 漏电流视为

与放大器输入端的 偏置电流类似的电流。

请注意，极性 可以是任一方向。

此处示例展示了

偏置电流如何在 流经任意源阻抗时

生成偏移量误差。

请注意，该示例中的 每个输入上都产生了

10 微伏误差信号。

在这种情况下， 每个输入端的漏电流

是 +1 微安。

但一般而言， 极性和幅度

可能因器件间的 差异而有所不同。

实际上，给出的 漏电流是典型值。

因此在最坏情况下， 漏电流将更大。

典型值表示 ±1 个标准差，

代表 68.3% 的制造器件。

要估算最大值，

可使用 ±3 个标准差，

表示总体的 99.7%。

下一个规格 是输入阻抗。

在许多情况下， 数据转换器的输入阻抗

将是一个动态阻抗。

动态阻抗通常是

输入漏电流以及

输入电容的开关和充电

产生的。

然而，某些数据转换器 有阻抗固定的

放大器输入。

放大器固定输入阻抗

通常是增益设置 电阻器的电阻。

在该示例中，ADC 有 一个集成的可编程增益

放大器，简称 PGA， 输入阻抗为 1 兆欧。

连接外部电阻

会改变放大器的增益。

如果该电阻未知 或是动态阻抗，

就会引入系统 增益误差，参见

给出的方程。

在很多情况下， 可使用简单的

两点校准消除该误差。

如果该电阻已知， 可将其代入给定

扩展输入范围 公式的数学计算中。

例如，如果指定的 ADC 输入范围为 10 伏，

则连接 200 千欧的 外部电阻器

会将系统输入 范围更改为 12 伏。

这些影响的详细说明

可参阅“模拟工程师电路 设计指导手册”文档，

如幻灯片上所示。

接下来看基准 输入电压范围。

数据转换器数据表 中的大多数规格

都是针对特定的 基准电压定义的。

通常这是该转换器

最常用的基准电压。

使用基准输入 电压范围内的

任何其他基准电压

实现的性能应该 与指定数据表性能

不相上下。

在某些情况下， 数据表中的曲线

将展示关键参数

如何受不同 基准电压的影响。

这里显示的是对 ADS9110 数据表的部分

摘录。

在数据表中， 给出了指定的

基准范围， 2.5 伏至 5 伏。

表顶部的表头

指明规格均按照

VREF 等于 5 伏的条件定义。

数据表正文中的曲线

可用于更好地理解

基准电压的调节 如何影响关键参数。

下一个要考虑的规格

是基准电流。

SAR 数据 转换器的基准输入

连接到一组 开关电容器。

在转换周期中， 这些电容器

将接入比较电路，

并非常快速地 充电或放电至

基准输入电压。

对于转换周期 中的每一位，

您通常会看到， 随着内部电容器充电，

基准输入电流中 会出现一个大尖峰。

该表显示摘录自 ADS8881 数据表的内容，

指示典型的 基准输入电流

在转换期间为 300 微安。

请注意，指定的电流 实际是平均电流，

因为实际电流会出现

高达 10 毫安的快速 大尖峰，如平缓瞬态示例

所示。

请注意，整个转换

周期可能接近 100 纳秒。

电流尖峰之间的时间

可能是数十纳秒。

大的滤波电容器

通常放置在基准 输入端，用于响应

快速瞬态电流要求。

基准将提供 所需的平均电流

以补充尖锐瞬态

之间的电容。

有时需要在 ADC 的基准输入端

使用宽带宽缓冲器，

因为瞬态之间的时间

相对较短。

请注意，规格表还

提供了针对基准 输入推荐的去耦

电容器。

要讨论 ADC 的非线性，

我们首先需要了解 ADC 的理想输出。

这里显示了 ADC 的理想传递函数。

横轴表示 连续模拟输入信号。

纵轴显示的是 数字输出代码，

可视为将模拟输入信号

舍入到最接近的 等效数值的量级。

ADC 的满量程 输入范围按照

数字输出代码的 总数平均划分，

将此图中的 红色虚线转换为

此处所示的 蓝色阶梯线。

此处显示位数为 N，

即数字输出代码 中的二进制位数，

用于表示 满量程模拟信号。

该示例中有四位 或四个二进制位。

数字输出代码的数量

是可用于数字输出的

不同二进制字的总数。

此处的代码数是 16， 对应于从二进制

0000 数到 1111，即从 十进制 0 到 15 的个数。

请注意，您可以取

2 的位数幂， 以计算代码数。

转换器分辨率对应于

每个模拟阶跃的宽度，

相当于模拟输入的

最小可解析变化。

分辨率通常标识为

最低有效位的宽度。

计算方法是 用满量程范围

除以总位数或 2 的 N 次幂。

在该示例中， 最低有效位宽度

或分辨率可以用 2 伏 除以 16 来计算，

得到分辨率 0.125 伏。

该示例中的 满量程范围为 2 伏。

但最大可检测输入电压

是满量程范围 减去 1LSB，

或本例中的 1.875 伏。

第一个 ADC 非线性 是微分非线性。

DNL 是比较 代码宽度与

与理想宽度的量度。

该图显示部分代码

比理想宽度长， 而其他代码则较短。

所示方程说明了 DNL 的计算方式。

该方程实际上是 一个误差计算方程，

使用测得代码宽度 Wk

和理想代码宽度 Q。 测得代码宽度的

计算方式是让两个 相邻代码转换相减，

即 Tk 减 T[k - 1]。

如果测得代码宽度 等于理想代码宽度，

则 DNL 为 0。

如果测得代码 比理想代码更长，

则 DNL 为正。

如果测得代码 较短，则 DNL 为负。

在某些情况下， 动态非线性

足够大，从而 导致完全跳过

代码转换。

这叫做丢码。

此处的示例 显示了一种情况，

ADC 的数字输出 完全跳过代码 1001。

在该示例中， 没有模拟输入信号

会导致数字 输出读为 1001。

丢码可能是许多 电子系统中的

一个严重问题。

大多数现代 ADC 都经过设计和测试，

以确保不发生该问题。

事实上， 数据表通常提供

无丢码或 NMC 规格，

以强调转换器 不会发生丢码。

上述摘录内容显示 无丢码规格的

示例。

此幻灯片举例说明了

微分非线性规格在 数据表中如何显示。

对于传递函数中的 每个代码，

我们比较测得代码 宽度与理想代码宽度。

因此，该规格的 一种显示方式是

DNL 与 ADC 输出 代码的关系图。

在简化的示例中， 可看到三位转换器的

DNL 与 ADC 代码。

此处显示了代码 101 的计算方式。

该位的宽度 为 31 毫伏，

比理想宽度 125 毫伏更短。

所以 DNL 为负。

右图显示较为实际的

18 位转换器示例。

本例中显示 数千个 DNL

测量值。

您可以看到， DNL 通常小于

LSB 的 1/2。

页面顶部是一个 DNL 规格示例。

该规格的最小 和最大限值

表明所有 ADC 代码均已测试，

且所有通过测试的器件 DNL 将小于 ±0.75

LSB。

第二个非线性是 积分非线性，简称 ILN。

ILN 衡量的是 测得 ADC 传递函数

与直线的接近程度。

要消除增益误差 和偏移量误差，

则比较测得传递函数

和与 ADC 传递函数的

端点拟合的理想直线。

理想直线与测得 函数之间的偏差

就是 ILN 误差。

在所示的指定 示例中，绿色虚线

是传递函数的 端点拟合。

之所以称为 端点拟合，是因为

绿色直线始于 第一个代码 0000，

终止于最后 一列 1111。

对于完美的线性 ADC，直线会

直接向下来到 ADC 传递函数的中间

位置。

但在本例中， 您可以看到

以蓝色显示的 测得函数偏离

线性拟合。

于是说 ILN 误差为正。

与 DNL 误差一样， 积分非线性

可对比 ADC 输出代码显示。

积分非线性可用 LSB 代码单位表示，

也可以用满量程 范围的百分比

表示。

此处显示 ILN 数据表规格示例

以及 ADC 与输出代码的

典型积分非线性图。

在数据表中，

ILN 已针对所有 代码测试，将小于

1.5 个 LSB。

ILN 误差超过 1.5 个 LSB 的

器件已丢弃。

典型 ILN 是大多数

器件的性能说明。

典型范围在表征期间

从数学意义上设为

总体的 ±1 个标准差。

这意味着大约 68.3% 的总体

在典型范围内。

请注意，图中显示的是

该器件以 LSB 为单位的典型

积分非线性与输出代码。

本视频到此结束。

谢谢观看。

请尝试完成测验以 检查您对本视频

内容的理解。

大家好，欢迎观看 TI 高精度实验室--

直流规格简介。

总体而言，该部分将 介绍典型 ADC 数据表中

列出的规格。

在本视频中，我们 将定义输入电容、

漏电流、输入 阻抗、基准电压

范围、积分非线性 和微分非线性。

首先说输入电容。

数据表中通常会 指定 SAR ADC 的

输入采样保持电容。

此幻灯片顶部 表格摘录自

ADS9110 数据表，显示输入

电容在采样模式下 通常为 60 皮法，

在保持模式下 通常为 4 皮法。

左侧显示的 SAR ADC 简化模型

有助于我们基本了解 采样模式和保持模式的

原理。

在采样模式下， 开关 S1 闭合。

这会将 60 皮法 电容器连接到

输入 AIN_P 上 施加的外部信号。

采样过程的目标 是将输入信号存储

到采样电容器上。

采样周期通常 称为采集周期。

在保持模式下， 开关 S1 断开，

ADC 将转换采样的信号。

该时间段通常 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 4 皮法。

更详细显示输入二极管、

电阻、电容和 开关的输入结构

如右侧所示。

现在来看输入漏电流。

输入漏电流是

流入或流出数据转换器 输入引脚的直流电流。

该电流产生于 内部 ESD 保护

结构和其他寄生结构。

该电流可建模为 两个 ADC 输入上的

直流电流源， 通常在纳安到

到微安级别。

您可以将输入 漏电流视为

与放大器输入端的 偏置电流类似的电流。

请注意，极性 可以是任一方向。

此处示例展示了

偏置电流如何在 流经任意源阻抗时

生成偏移量误差。

请注意，该示例中的 每个输入上都产生了

10 微伏误差信号。

在这种情况下， 每个输入端的漏电流

是 +1 微安。

但一般而言， 极性和幅度

可能因器件间的 差异而有所不同。

实际上，给出的 漏电流是典型值。

因此在最坏情况下， 漏电流将更大。

典型值表示 ±1 个标准差，

代表 68.3% 的制造器件。

要估算最大值，

可使用 ±3 个标准差，

表示总体的 99.7%。

下一个规格 是输入阻抗。

在许多情况下， 数据转换器的输入阻抗

将是一个动态阻抗。

动态阻抗通常是

输入漏电流以及

输入电容的开关和充电

产生的。

然而，某些数据转换器 有阻抗固定的

放大器输入。

放大器固定输入阻抗

通常是增益设置 电阻器的电阻。

在该示例中，ADC 有 一个集成的可编程增益

放大器，简称 PGA， 输入阻抗为 1 兆欧。

连接外部电阻

会改变放大器的增益。

如果该电阻未知 或是动态阻抗，

就会引入系统 增益误差，参见

给出的方程。

在很多情况下， 可使用简单的

两点校准消除该误差。

如果该电阻已知， 可将其代入给定

扩展输入范围 公式的数学计算中。

例如，如果指定的 ADC 输入范围为 10 伏，

则连接 200 千欧的 外部电阻器

会将系统输入 范围更改为 12 伏。

这些影响的详细说明

可参阅“模拟工程师电路 设计指导手册”文档，

如幻灯片上所示。

接下来看基准 输入电压范围。

数据转换器数据表 中的大多数规格

都是针对特定的 基准电压定义的。

通常这是该转换器

最常用的基准电压。

使用基准输入 电压范围内的

任何其他基准电压

实现的性能应该 与指定数据表性能

不相上下。

在某些情况下， 数据表中的曲线

将展示关键参数

如何受不同 基准电压的影响。

这里显示的是对 ADS9110 数据表的部分

摘录。

在数据表中， 给出了指定的

基准范围， 2.5 伏至 5 伏。

表顶部的表头

指明规格均按照

VREF 等于 5 伏的条件定义。

数据表正文中的曲线

可用于更好地理解

基准电压的调节 如何影响关键参数。

下一个要考虑的规格

是基准电流。

SAR 数据 转换器的基准输入

连接到一组 开关电容器。

在转换周期中， 这些电容器

将接入比较电路，

并非常快速地 充电或放电至

基准输入电压。

对于转换周期 中的每一位，

您通常会看到， 随着内部电容器充电，

基准输入电流中 会出现一个大尖峰。

该表显示摘录自 ADS8881 数据表的内容，

指示典型的 基准输入电流

在转换期间为 300 微安。

请注意，指定的电流 实际是平均电流，

因为实际电流会出现

高达 10 毫安的快速 大尖峰，如平缓瞬态示例

所示。

请注意，整个转换

周期可能接近 100 纳秒。

电流尖峰之间的时间

可能是数十纳秒。

大的滤波电容器

通常放置在基准 输入端，用于响应

快速瞬态电流要求。

基准将提供 所需的平均电流

以补充尖锐瞬态

之间的电容。

有时需要在 ADC 的基准输入端

使用宽带宽缓冲器，

因为瞬态之间的时间

相对较短。

请注意，规格表还

提供了针对基准 输入推荐的去耦

电容器。

要讨论 ADC 的非线性，

我们首先需要了解 ADC 的理想输出。

这里显示了 ADC 的理想传递函数。

横轴表示 连续模拟输入信号。

纵轴显示的是 数字输出代码，

可视为将模拟输入信号

舍入到最接近的 等效数值的量级。

ADC 的满量程 输入范围按照

数字输出代码的 总数平均划分，

将此图中的 红色虚线转换为

此处所示的 蓝色阶梯线。

此处显示位数为 N，

即数字输出代码 中的二进制位数，

用于表示 满量程模拟信号。

该示例中有四位 或四个二进制位。

数字输出代码的数量

是可用于数字输出的

不同二进制字的总数。

此处的代码数是 16， 对应于从二进制

0000 数到 1111，即从 十进制 0 到 15 的个数。

请注意，您可以取

2 的位数幂， 以计算代码数。

转换器分辨率对应于

每个模拟阶跃的宽度，

相当于模拟输入的

最小可解析变化。

分辨率通常标识为

最低有效位的宽度。

计算方法是 用满量程范围

除以总位数或 2 的 N 次幂。

在该示例中， 最低有效位宽度

或分辨率可以用 2 伏 除以 16 来计算，

得到分辨率 0.125 伏。

该示例中的 满量程范围为 2 伏。

但最大可检测输入电压

是满量程范围 减去 1LSB，

或本例中的 1.875 伏。

第一个 ADC 非线性 是微分非线性。

DNL 是比较 代码宽度与

与理想宽度的量度。

该图显示部分代码

比理想宽度长， 而其他代码则较短。

所示方程说明了 DNL 的计算方式。

该方程实际上是 一个误差计算方程，

使用测得代码宽度 Wk

和理想代码宽度 Q。 测得代码宽度的

计算方式是让两个 相邻代码转换相减，

即 Tk 减 T[k - 1]。

如果测得代码宽度 等于理想代码宽度，

则 DNL 为 0。

如果测得代码 比理想代码更长，

则 DNL 为正。

如果测得代码 较短，则 DNL 为负。

在某些情况下， 动态非线性

足够大，从而 导致完全跳过

代码转换。

这叫做丢码。

此处的示例 显示了一种情况，

ADC 的数字输出 完全跳过代码 1001。

在该示例中， 没有模拟输入信号

会导致数字 输出读为 1001。

丢码可能是许多 电子系统中的

一个严重问题。

大多数现代 ADC 都经过设计和测试，

以确保不发生该问题。

事实上， 数据表通常提供

无丢码或 NMC 规格，

以强调转换器 不会发生丢码。

上述摘录内容显示 无丢码规格的

示例。

此幻灯片举例说明了

微分非线性规格在 数据表中如何显示。

对于传递函数中的 每个代码，

我们比较测得代码 宽度与理想代码宽度。

因此，该规格的 一种显示方式是

DNL 与 ADC 输出 代码的关系图。

在简化的示例中， 可看到三位转换器的

DNL 与 ADC 代码。

此处显示了代码 101 的计算方式。

该位的宽度 为 31 毫伏，

比理想宽度 125 毫伏更短。

所以 DNL 为负。

右图显示较为实际的

18 位转换器示例。

本例中显示 数千个 DNL

测量值。

您可以看到， DNL 通常小于

LSB 的 1/2。

页面顶部是一个 DNL 规格示例。

该规格的最小 和最大限值

表明所有 ADC 代码均已测试，

且所有通过测试的器件 DNL 将小于 ±0.75

LSB。

第二个非线性是 积分非线性，简称 ILN。

ILN 衡量的是 测得 ADC 传递函数

与直线的接近程度。

要消除增益误差 和偏移量误差，

则比较测得传递函数

和与 ADC 传递函数的

端点拟合的理想直线。

理想直线与测得 函数之间的偏差

就是 ILN 误差。

在所示的指定 示例中，绿色虚线

是传递函数的 端点拟合。

之所以称为 端点拟合，是因为

绿色直线始于 第一个代码 0000，

终止于最后 一列 1111。

对于完美的线性 ADC，直线会

直接向下来到 ADC 传递函数的中间

位置。

但在本例中， 您可以看到

以蓝色显示的 测得函数偏离

线性拟合。

于是说 ILN 误差为正。

与 DNL 误差一样， 积分非线性

可对比 ADC 输出代码显示。

积分非线性可用 LSB 代码单位表示，

也可以用满量程 范围的百分比

表示。

此处显示 ILN 数据表规格示例

以及 ADC 与输出代码的

典型积分非线性图。

在数据表中，

ILN 已针对所有 代码测试，将小于

1.5 个 LSB。

ILN 误差超过 1.5 个 LSB 的

器件已丢弃。

典型 ILN 是大多数

器件的性能说明。

典型范围在表征期间

从数学意义上设为

总体的 ±1 个标准差。

这意味着大约 68.3% 的总体

在典型范围内。

请注意，图中显示的是

该器件以 LSB 为单位的典型

积分非线性与输出代码。

本视频到此结束。

谢谢观看。

请尝试完成测验以 检查您对本视频

内容的理解。