高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器精度透視中的直流誤差分析

在任何設(shè)計中，信號鏈精度分析都可能是一項非常重要的任務(wù)，必須充分了解。在本系列的第二部分中，我們討論了在整個信號鏈累積起來并且最終會影響到轉(zhuǎn)換器的多種誤差。請記住，轉(zhuǎn)換器是信號鏈的瓶頸，最終決定著信號的表示精度。因此，轉(zhuǎn)換器的選擇是設(shè)定系統(tǒng)整體要求的關(guān)鍵。在本文中，我們將以上述認(rèn)識為基礎(chǔ)，重點分析可能在給定信號鏈中累積的直流誤差的類型。

在信號鏈中，可能會累積的誤差有兩類——即直流和交流誤差。直流或靜態(tài)誤差(如增益和失調(diào)誤差)有助于了解信號鏈的精度或靈敏度。交流類誤差也稱為噪聲和失真，限制著系統(tǒng)的性能和動態(tài)范圍。這兩類誤差都需要了解，因為二者最終決定著系統(tǒng)的分辨率。

本文將專門分析直流誤差，根據(jù)其與無源和有源器件的關(guān)系，對每種不精確性進行細(xì)分。同時還將制作一份矩陣或電子表格，用以展示如何用不同的方法在信號中添加或累積誤差。

若要了解交流誤差，請看參考文獻10和11。在此，通過回顧有關(guān)噪聲的基本知識(如帶寬總和、從交流角度看誤差累積等)，可以確定模擬信號鏈設(shè)計的總信噪比。

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圖1. 此簡單數(shù)據(jù)采集信號鏈系統(tǒng)的設(shè)計精度為0.1%

信號鏈知識回顧

在第二部分里，我們的目標(biāo)是設(shè)計出一種可以達(dá)到0.1%精度要求的簡單數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖1)。即是說，每輸入1 V的電壓，輸出要么為0.99388 V，要么為1.00612 V。因此，轉(zhuǎn)換器規(guī)定的動態(tài)范圍為60 dB或9.67 ENOB，假設(shè)其滿量程電壓為10 V。轉(zhuǎn)換器有兩個放大器級、一個多路復(fù)用器和一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。本分析將忽略傳感器、電纜、連接器、印刷電路板(PCB)寄生電容和任何外部影響/誤差，因為這些情況在很大程度上取決于設(shè)計人員要測量的具體應(yīng)用或信號。

為了給各誤差提供參考，應(yīng)將分析的各級細(xì)分成各個部分。數(shù)據(jù)采集信號鏈的第一級是一個簡單的差分放大器(圖2)。該放大器的增益為4×，輸入阻抗為500 Ω。設(shè)置電容是為了進行可選的濾波處理。

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圖2. 差分放大器為數(shù)據(jù)采集信號鏈的第一級

然后，將放大器的輸出信號施加到多路復(fù)用器的8個輸入端(圖3)。每個輸入以一個阻尼電阻(RO)進行緩沖，以減少多路復(fù)用器通道切換導(dǎo)致的電荷反沖。根據(jù)多路復(fù)用器數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的技術(shù)規(guī)格，每個通道的內(nèi)部會設(shè)有一些寄生電容或額定RO。

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圖3. 此8:1多路復(fù)用器有8個緩沖輸入。

然后，將結(jié)果形成的通道信號施加到單位增益緩沖級放大器(圖4)。使用電阻是為了減少輸入偏置電流不平衡。

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圖4. 將一個通道信號施加到這類緩沖放大器

將經(jīng)過緩沖的信號施加到12位、1 MSPS ADC，在此，信號最終進入數(shù)字域(圖5)。使用串行電阻是為了緩沖或抑制放大器與轉(zhuǎn)換器之間的信號，加大這兩個器件之間的電阻。結(jié)果會減少從轉(zhuǎn)換器反沖到放大器的電荷，非常像多路復(fù)用器。這也有助于放大器輸出建立，并防止其發(fā)生振蕩。

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圖5. 信號緩沖后將被施加到12位、1 MSPS ADC

電容提供了一個簡單的低通抗混疊濾波器(AAF)，用以衰減目標(biāo)頻帶之外的信號和噪聲。AAF的設(shè)計在很大程度上取決于系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。最后，上拉和下拉二極管可增添輸入保護功能，可防止有可能被施加到轉(zhuǎn)換器輸入端的極端過載信號導(dǎo)致的任何故障狀況。