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在任何設(shè)計(jì)中，信號(hào)鏈精度分析都是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。在本系列的第2部分中，討論了許多誤差，這些誤差會(huì)在整個(gè)信號(hào)鏈中累積，最終被轉(zhuǎn)換器看到。請(qǐng)記住，轉(zhuǎn)換器是信號(hào)鏈的瓶頸，最終決定信號(hào)的表示精度。因此，選擇轉(zhuǎn)換器是設(shè)置整體系統(tǒng)要求的關(guān)鍵。本文將繼續(xù)以這些知識(shí)為基礎(chǔ)，分析在整個(gè)給定信號(hào)鏈中可能累積的直流誤差類(lèi)型。
兩種類(lèi)型的誤差可以通過(guò)信號(hào)鏈累積：直流和交流。直流或靜態(tài)誤差（如增益和失調(diào)）有助于了解信號(hào)鏈的精度或靈敏度。交流誤差（也稱為噪聲和失真）決定了系統(tǒng)的性能和動(dòng)態(tài)范圍。理解兩者都很重要，因?yàn)樗鼈冏罱K都決定了系統(tǒng)的分辨率。
本文將專(zhuān)門(mén)分析直流誤差，分解與無(wú)源和有源器件相關(guān)的每個(gè)不準(zhǔn)確性。將開(kāi)發(fā)一個(gè)矩陣或電子表格，以顯示如何通過(guò)不同的方法在信號(hào)中添加或累積誤差。
本文回顧噪聲基礎(chǔ)知識(shí)，例如從交流角度進(jìn)行帶寬求和和誤差累積，可以確定模擬信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的整體SNR。
圖1.這種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈系統(tǒng)旨在提供0.1%的精度。
信號(hào)鏈回顧
在第 2 部分中，目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其精度可達(dá) 0.1%（圖 1）。這意味著每1 V輸入，輸出為0.99388 V或1.00612 V。因此，假設(shè)滿量程為60 V，轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍為9 dB或67.10ENOB。它具有兩級(jí)放大器、一個(gè)多路復(fù)用器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。傳感器、電纜、連接器、印刷電路板（PCB）寄生效應(yīng)以及任何外部影響/誤差將在此分析中被忽略，因?yàn)檫@在很大程度上取決于設(shè)計(jì)人員試圖測(cè)量的應(yīng)用或信號(hào)。
要為每個(gè)錯(cuò)誤定義參考，分析的每個(gè)階段都應(yīng)分解為單獨(dú)的部分。數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的第一級(jí)是一個(gè)簡(jiǎn)單的差動(dòng)放大器（圖 2）。該放大器的增益為4×，輸入阻抗為500 Ω。電容器已就位，用于可選的濾波目的。
圖2.差動(dòng)放大器是數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的第一級(jí)。
然后將放大器的輸出信號(hào)施加到多路復(fù)用器的八個(gè)輸入之一（圖 3）。每個(gè)輸入由一個(gè)阻尼電阻（RO），以最大程度地減少多路復(fù)用器通道切換帶來(lái)的電荷反沖。每個(gè)通道內(nèi)部都會(huì)有一些寄生或表征的RO根據(jù)多路復(fù)用器的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格。
圖3.這款 8：1 多路復(fù)用器具有 <> 個(gè)緩沖輸入。
然后，產(chǎn)生的通道信號(hào)被施加到單位增益緩沖級(jí)放大器（圖 4）。施加電阻以最大限度地減小輸入偏置電流不平衡。
圖4.通道信號(hào)將施加到這種類(lèi)型的緩沖放大器上。
信號(hào)緩沖后，將其施加到 12 位、1 MSPS ADC，最終進(jìn)入數(shù)字域（圖 5）。串聯(lián)電阻用于緩沖或阻尼放大器和轉(zhuǎn)換器之間的信號(hào)，從而增加兩個(gè)器件之間的源電阻。這最大限度地減少了從轉(zhuǎn)換器到放大器的電荷反沖，就像多路復(fù)用器一樣。這也有助于放大器輸出穩(wěn)定并防止其振蕩。
圖5.信號(hào)經(jīng)過(guò)緩沖后，將其施加到12位、1 MSPS ADC。
該電容提供一個(gè)簡(jiǎn)單的低通抗混疊濾波器（AAF），用于衰減目標(biāo)頻帶外的信號(hào)和噪聲。AAF 的設(shè)計(jì)在很大程度上取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。最后，上拉二極管和下拉二極管增加了輸入保護(hù)，使其免受可能施加于轉(zhuǎn)換器輸入的極端信號(hào)過(guò)載條件的任何故障條件的影響。
現(xiàn)在，所有信號(hào)鏈組件都已定義，讓我們開(kāi)始查看與每個(gè)階段相關(guān)的誤差。在以下部分中，將根據(jù)此處討論的信號(hào)鏈的每個(gè)階段來(lái)審查無(wú)源和有源誤差。
直流無(wú)源錯(cuò)誤
所有無(wú)源元件都有與之相關(guān)的誤差，尤其是電阻器。電阻器看似簡(jiǎn)單的器件，但如果設(shè)計(jì)中沒(méi)有正確指定，它們可能會(huì)在整個(gè)信號(hào)鏈中引起誤差。此處不涉及選擇正確類(lèi)型的電阻器及其組成。但請(qǐng)記住，根據(jù)應(yīng)用的不同，某些電阻類(lèi)型可能比其他類(lèi)型更適合。
電阻直流誤差由非理想電阻容差引起。僅指定值容差是不夠的。然而，對(duì)電阻誤差容限過(guò)于嚴(yán)格也會(huì)導(dǎo)致收益遞減，并使分析過(guò)于復(fù)雜。在為給定信號(hào)鏈指定電阻類(lèi)型時(shí)，至少需要注意四個(gè)關(guān)鍵規(guī)格：
值容差，通常以 % 指定。
溫度系數(shù)或漂移，通常以ppm/°C為單位。
生命漂移或資格，通常以 % 為單位指定，超過(guò)設(shè)定的量 小時(shí)（通常在 1000 秒內(nèi)）。
值公差比，當(dāng)兩個(gè)或更多時(shí)以%為單位指定的值公差 電阻器存在于網(wǎng)絡(luò)或同一封裝中，并且匹配 在價(jià)值上。
為了舉例說(shuō)明電阻誤差是如何累積的（圖6），讓我們看一下以下內(nèi)容：一個(gè)100 Ω電阻，值容差為1%，漂移為100 ppm/°C，壽命容差為5%，在93°C溫度范圍內(nèi)，在15小時(shí)的使用壽命內(nèi)，電阻為106.85 Ω至5000.85 Ω：
圖6.此圖說(shuō)明了電阻誤差模型。
總公差 （R價(jià)值( 1托爾( 1科夫( 1生命） = （R價(jià)值+ （（R托爾/100） × R價(jià)值）+ （（（R科夫× 0.000001） ×溫度范圍） ×R價(jià)值） + （（R生命/100） × R價(jià)值））= 94 Ω 到 106 Ω。
很難找到信息 旁注：某些組件的使用壽命規(guī)格僅為 1000 小時(shí)。然而，設(shè)計(jì)可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間——比如10，000小時(shí)。要解決這個(gè)問(wèn)題，不要將 1000 小時(shí)的數(shù)字乘以 8.77（8766 小時(shí)/年）;這太悲觀了。任何精密模擬電路中的長(zhǎng)期漂移都會(huì)有一定程度的“隨機(jī)游走”。取這個(gè)數(shù)字的平方根或 √8.766 = ~3× 1000 小時(shí)數(shù)字更正確。因此，10，000 小時(shí)壽命數(shù)字為 √10.000 = 3.16 × 1000 小時(shí)規(guī)格，依此類(lèi)推。
應(yīng)該注意的是，電容器和電感器也有誤差。然而，這些誤差通?？梢院雎圆挥?jì)，對(duì)這種類(lèi)型的直流分析沒(méi)有實(shí)質(zhì)性價(jià)值。這些器件本質(zhì)上也是無(wú)功的，對(duì)濾波和帶寬容差的影響最大，這同樣不適用于此特定的直流分析。
直流主動(dòng)誤差
圖1中描述的信號(hào)鏈具有最常見(jiàn)的構(gòu)建模塊，描述了一種實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法。它由兩個(gè)放大器、一個(gè)多路復(fù)用器和一個(gè)ADC組成。但請(qǐng)記住，許多類(lèi)型的有源器件描述各種信號(hào)鏈和不同的系統(tǒng)拓?fù)?。在?shí)施此類(lèi)分析時(shí)，所有有源器件都會(huì)有某種直流誤差。重要的是要確定需要考慮哪些錯(cuò)誤，以了解所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
基本上，直流精度涉及兩種類(lèi)型/組的誤差。這些錯(cuò)誤對(duì)于所有活動(dòng)設(shè)備都是單獨(dú)的和全局的。單個(gè)活動(dòng)設(shè)備錯(cuò)誤將僅顯示相對(duì)于該設(shè)備的已知直流誤差。此類(lèi)誤差可在各自的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。例如，放大器的輸入失調(diào)電壓將被視為單個(gè)誤差，因?yàn)樵撜`差僅特定于該有源器件。
信號(hào)鏈或系統(tǒng)中的每個(gè)有源器件的全局誤差相同，但根據(jù)有源器件的個(gè)別性能，全局誤差會(huì)有所不同（圖 7）。一個(gè)全局誤差示例是總線電源和溫度的線路調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在，讓我們分解信號(hào)鏈中顯示的三個(gè)有源器件的這些誤差。
眾所周知，放大器仍然遠(yuǎn)非理想。它們有許多誤差，通常在數(shù)據(jù)手冊(cè)中列出。失調(diào)電壓和偏置電流是兩個(gè)常見(jiàn)誤差，但包括任何漂移誤差、長(zhǎng)期誤差和隔離誤差（如電源抑制比（PSRR））也很重要。表1列出了使用放大器時(shí)應(yīng)考慮的以下誤差。
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| 規(guī)范 | 錯(cuò)誤 |
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輸入失調(diào)電壓漂移 （V/C） ? |
3.50 × 10–6 |
| 輸入偏置電流漂移 （交流） | 200 × 10–15 |
| 輸入偏置電流 （A） | 150 × 10–9 |
| 長(zhǎng)期漂移（1000小時(shí)）（V） | 3.75 × 10–3 |
| 輸入失調(diào)電流 （A） | 10 × 10–9 |
| 電源抑制比（PSRR）（dB） | –120 |
| 輸入失調(diào)電壓 （V） | 200 × 10–6 |
| 共模抑制比（分貝） | –80 |
?
多路復(fù)用器的誤差通常比放大器少。導(dǎo)通電阻和通道隔離是影響最大的多路復(fù)用器直流誤差。表 2 列出了使用多路復(fù)用器時(shí)應(yīng)考慮的錯(cuò)誤。
圖7.有源器件存在兩種類(lèi)型的直流精度誤差 - 單個(gè)和全局。
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| 規(guī)范 | 錯(cuò)誤 |
| 導(dǎo)通電阻 （R上)(Ω) | 400.00 |
| 電阻系數(shù)（ppm/°C） | 200.00 |
| 電阻容差 （%） | 20.00 |
| 通道隔離 （dB） | –70.0 |
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本系列的第一部分專(zhuān)門(mén)回顧了轉(zhuǎn)換器誤差（如下所示）。偏移、增益和 DNL 是眾所周知且易于理解的。包括 PSRR 也很重要。使用第1部分的ADC時(shí)，應(yīng)考慮以下轉(zhuǎn)換器誤差列表：
相對(duì)精度，DNL，定義為±0.5 LSB。
相對(duì)精度溫度系數(shù)，DNL 溫度系數(shù)，通常包含在 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的相對(duì)精度規(guī)格。
增益溫度系數(shù)誤差，為±2.5 LSB（來(lái)自上一個(gè)示例）。
偏移溫度系數(shù)誤差，比上一個(gè)示例±1.3 LB）。
電源靈敏度，通常以第一奈奎斯特區(qū)內(nèi)的低頻PSRR形式出現(xiàn);對(duì)于 60 位，這通?？梢员硎緸?2 dB 或 ±12 LSB 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
為了使本文保持在合理的長(zhǎng)度，本討論將不詳細(xì)介紹這些錯(cuò)誤中的每一個(gè)是如何在有源設(shè)備本身中派生的。所有這些錯(cuò)誤在各種論文和文本中都有明確的定義和描述。這里需要注意的重要一點(diǎn)是，所有基本誤差都已考慮在內(nèi)，以便分析足夠穩(wěn)健，可以滿足系統(tǒng)的精度目標(biāo)規(guī)格。
已建議并定義了單個(gè)活動(dòng)設(shè)備錯(cuò)誤?，F(xiàn)在應(yīng)考慮全局誤差，這些誤差會(huì)影響整個(gè)信號(hào)鏈（表3）。在這個(gè)簡(jiǎn)單的示例中，只有溫度和線路調(diào)整率將作為全局誤差考慮在分析中。但是，添加特定應(yīng)用程序或設(shè)計(jì)可能固有的任何其他外部影響非常重要。
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| 規(guī)范 | 錯(cuò)誤 |
| 溫度（°C） | –45 至 +85 |
| 電源線路調(diào)節(jié) （%/V） | 50 × 10–3 |
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將一切整合在一起
既然所有誤差都已主動(dòng)和被動(dòng)定義，那么是時(shí)候?qū)⑺鼈兎湃腚娮颖砀裰幸杂?jì)算信號(hào)鏈的直流精度了。表 4 顯示了完成此任務(wù)的一種此類(lèi)方法。
盡管分析信號(hào)鏈精度的方法有很多種，但使用電子表格方法提供了最大的靈活性。它還提供了有關(guān)如何在信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中壓縮所有這些錯(cuò)誤數(shù)的可靠理解。這種方法使設(shè)計(jì)人員能夠在設(shè)計(jì)中可能考慮的許多合適器件之間快速有效地權(quán)衡。
花點(diǎn)時(shí)間制作一個(gè)布局良好且有序的電子表格。在頂部，定義了全局誤差和信號(hào)鏈規(guī)格，因?yàn)檫@些數(shù)字會(huì)影響整個(gè)信號(hào)鏈的性能。放大器規(guī)格/誤差也放在頂部，因?yàn)檎麄€(gè)信號(hào)鏈中存在許多誤差和兩個(gè)放大器級(jí)。
繼續(xù)向下，在電子表格的左側(cè)，所有錯(cuò)誤都分為每個(gè)電路階段。電阻誤差也按每級(jí)分組，以相應(yīng)地了解權(quán)衡取舍。右側(cè)顯示了信號(hào)流入和流出每個(gè)階段時(shí)的連續(xù)計(jì)算和誤差累積。
在計(jì)算中，所有誤差都以電壓格式輸入。這使得它更容易，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器位于信號(hào)鏈的末端，并且具有以電壓描述的輸入滿量程。RTO（指輸出）用于描述從一個(gè)階段到下一個(gè)階段的連續(xù)錯(cuò)誤累積。每個(gè)階段還生成單獨(dú)的總和 RSS（平方根）總計(jì)，以顯示錯(cuò)誤如何根據(jù)所使用的方法累積。
因此，表4中的最終結(jié)果顯示總累積誤差為±2.6%，RSS誤差為±1.6%。這是針對(duì)本文中討論的整個(gè)信號(hào)鏈，考慮到每個(gè)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格以及前面所述的26°C全局條件。
總累積
精度可以通過(guò)多種方式計(jì)算，并且可以采取多種形式。根據(jù)設(shè)計(jì)人員如何看待這一點(diǎn)，應(yīng)理解并記錄它，以避免產(chǎn)生任何錯(cuò)誤的結(jié)果。請(qǐng)記住，從第 1 部分開(kāi)始，簡(jiǎn)單地取所有這些誤差源的和方根 （RSS） 似乎過(guò)于悲觀。然而，統(tǒng)計(jì)容差可能過(guò)于樂(lè)觀（誤差總和除以誤差數(shù)）。找到整個(gè)信號(hào)鏈誤差的實(shí)際容差應(yīng)該介于這兩種想法或方法之間。
因此，在整個(gè)信號(hào)鏈或任何精度系統(tǒng)分析中添加（累積）精度誤差時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以使用加權(quán)誤差源方法（如第1部分的ADC示例所示），然后將這些誤差源RSS在一起。這將為確定整個(gè)信號(hào)鏈的整體誤差提供最佳方法。
結(jié)論
被動(dòng)和主動(dòng)設(shè)備都會(huì)發(fā)生許多錯(cuò)誤。并非所有都很重要，但請(qǐng)記住那些對(duì)手頭的信號(hào)鏈應(yīng)用很重要。并非所有錯(cuò)誤都對(duì)每個(gè)應(yīng)用程序都有效。確定哪些誤差最主要，哪些誤差的影響或權(quán)重最大，對(duì)于任何直流精度誤差分析都至關(guān)重要。本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)電子表格，以顯示本文中的信號(hào)鏈?zhǔn)纠绾螡M足<±2.0%精度的要求。
選擇合適的無(wú)源器件可以對(duì)信號(hào)鏈和有源器件中的總累積誤差產(chǎn)生同樣大的影響。創(chuàng)建和分區(qū)電子表格可以簡(jiǎn)單而整潔地快速考慮許多不同的設(shè)備和權(quán)衡。最后，誤差累積可以采取多種形式，最常用的做法是RSS精度方法。
然而，有些人可能會(huì)爭(zhēng)辯說(shuō)，誤差的加權(quán)求和方法是確定真正的“最壞情況直流誤差”的正確方法。否則，這很容易導(dǎo)致信號(hào)鏈被過(guò)度設(shè)計(jì)，導(dǎo)致更多的部件來(lái)補(bǔ)償原始的一組誤差。更不用說(shuō)成本的增加以及設(shè)計(jì)的尺寸、重量和功耗（SWaP）。
審核編輯：郭婷
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論