最近開始學(xué)習(xí)SAR ADC,之前接觸比較少,所以學(xué)起來(lái)也是頭大,不過(guò)萬(wàn)事開頭難,就一點(diǎn)點(diǎn)的學(xué)吧。
集成電路發(fā)展到今天,得益于摩爾定理下數(shù)字電路不斷的shrink,速度不斷提高,功耗不斷下降,面積也在不斷減小。而現(xiàn)實(shí)世界是連續(xù)的,或者混沌的。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(A/D和D/A)作為連接現(xiàn)實(shí)世界和二進(jìn)制世界的橋梁。
圖1
首先,還是學(xué)習(xí)A/D的幾個(gè)重要指標(biāo)。衡量A/D轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)比較多,圖1回顧一下主要的指標(biāo)。
分辨率(Resolution),ADC能夠?qū)?a href="http://www.wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬輸入表示的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)。和參考電壓(Reference Volatage)共同決定了ADC能夠分辨的最小識(shí)別電壓。例如對(duì)于10bit的ADC,其數(shù)字輸出只有1024個(gè),對(duì)應(yīng)十進(jìn)制的0~1023。其中最小位成為L(zhǎng)SB。
靜態(tài)指標(biāo)基本可以通過(guò)對(duì)比ADC理想和實(shí)際傳輸特性得到。圖2(a)給示意圖其傳輸特性為臺(tái)階型的非線性函數(shù),其中參考電壓為0.8V。橫坐標(biāo)為模擬輸入電壓,輸出為數(shù)字碼輸出(離散的2^N個(gè)碼值)。黑色為無(wú)窮大分辨率的transfer characteristic。藍(lán)色為理想3bit的傳輸特性,紅色為一種實(shí)際3 bit的傳輸特性。
圖2
圖2(b)為量化誤差的示意圖,橫坐標(biāo)為模擬輸入,縱坐標(biāo)為誤差電壓。藍(lán)色為3bit理想的量化誤差,為±0.5LSB,(在接近滿量程輸入時(shí),其量化誤差為+1LSB)。紅色為實(shí)例3bit的量化誤差。超過(guò)了±0.5LSB的范圍。
微分非線性(DNL),對(duì)于實(shí)際A/D的臺(tái)階型的傳輸特性,臺(tái)階高度相等,臺(tái)階深度往往和理想值Δ存在偏差。定義實(shí)際AD碼值從k-1到k轉(zhuǎn)化對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓為Vk,則如果(Vk-Vk-1)和Δ存在的差別就是微分非線性。一般用歸一化的LSB表示。微分非線性可以特指最大的DNL。
積分非線性(INL),實(shí)際傳輸特性曲線的轉(zhuǎn)折電壓和理想轉(zhuǎn)折電壓差值。以百分比或LSB形式表示。
圖3(a)為圖2中理想和實(shí)例的轉(zhuǎn)折電壓。圖3(b)為量化步長(zhǎng)及DNL和INL的計(jì)算結(jié)果。圖3(c)為實(shí)例3 bit ADC的DNL和INL的圖示??梢钥吹紻NL為-0.5LSB,INL為+0.5LSB。
圖3
此外,還有表征傳輸特性的靜態(tài)指標(biāo),增益誤差和失調(diào)。
ADC動(dòng)態(tài)指標(biāo)是描述A/D轉(zhuǎn)化過(guò)程中非理想因素對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響。衡量A/D Performance的重要依據(jù),注意大部分的動(dòng)態(tài)指標(biāo)都和輸入信號(hào)的頻率、幅度及采樣頻率相關(guān)。使用時(shí)需要注明這些指標(biāo)值得條件。
信噪比(SNR),輸入信號(hào)的最大rms和噪聲r(shí)ms的比值。其中噪聲包含量化噪聲和電路本身的噪聲。對(duì)理想A/D,僅存在量化噪聲,其信噪比的定義和分辨率的關(guān)系如圖4所示。這也是理想N bit A/D所能達(dá)到的理想信噪比。實(shí)際上電路噪聲和信號(hào)處理過(guò)程中失真的存在都會(huì)導(dǎo)致信噪比下降。
圖4
信噪失真比(SNDR or SINAD),定義為信號(hào)rms和噪聲r(shí)ms+失真的比值。失真通常first nyquist zone內(nèi)不包含dc分量的前N次諧波分量之和。SINAD和輸入信號(hào)的頻率及幅度相關(guān)。
有效位數(shù)(ENOB),對(duì)實(shí)際的A/D,有效位數(shù)表征ADC等效的實(shí)際轉(zhuǎn)換精度。一般使用SINAD代替SNR,使用圖3中的關(guān)系ENOB=(SINAD-1.76)/6.02,得到等效的分辨率。
總諧波失真(THD),定義為輸出信號(hào)FFT頻譜中所有諧波分量的和。如圖5所示,其定義是相對(duì)于1次諧波分量。對(duì)于周期信號(hào),A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中的非線性和誤差的引入,導(dǎo)致輸出包含了比較多的諧波分量,諧波分量的頻率和輸入信號(hào)及采樣頻率有關(guān)。
圖5
無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR),是指信號(hào)的均方根值與最差雜散信號(hào)的均方根值之比。在通信系統(tǒng)中SFDR是很重要的指標(biāo)??梢韵鄬?duì)于滿量程(dBFS)或?qū)嶋H信號(hào)幅度(dBc)來(lái)規(guī)定,如圖6所示。
圖6
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原文標(biāo)題:ADC基礎(chǔ)學(xué)習(xí)
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