5.1 直流参数

大家好 欢迎来到 TI 精密实验室 ADC 部分 欢迎来到 TI 精密实验室 ADC 部分 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