模数转换器高测量精度以及误差分析 - 全文

模数转换器(亦称为ADC)广泛用于各种应用中，尤其是需要处理模拟传感器信号的测量系统，比如测量压力、流量、速度和温度的数据采集系统(仅举数例)。一般而言，这些信号属于时域签名， 以脉冲或阶跃函数的形式出现。

在任何设计中，理解这些类型应用的总系统精度始终都是非常重要的，尤其是那些需要对波形中极小的灵敏度和变化进行量化的 系统。理想情况下，施加于信号链输入端的每一个伏特都由ADC 以数字表示一个伏特的输出。但是，事实并非如此。所有转换器 和信号链都存在与此相关的有限数量误差。

本文描述与模数转换器本身相关的误差。本文还将揭示转换器内 部的不精确性累积到何种程度即会导致这些误差。定义新设计的 系统参数时，若测量精度极为重要，那么这些内容对于理解如何 正确指定一个ADC有着重要作用。最后，本文将讨论一个简单的 误差分析，帮助为设计选择正确的转换器。

ADC的不精确性

无论何种信号链，转换器都是系统的基本要素。为设计选择的任 何ADC都会决定系统的总精度。换言之，系统精度不可能高于转 换器的最低有效位(LSB)大小。为了表明这一点，让我们来看一个 简短的ADC不精确性指南。

首先，注意到由于ADC不是理想的，并且分辨率有限，因此它们 在输出端只能显示有限数量的信息表示。表示的信息数量由转换 器满量程输入除以2N表示，N为转换器的理想位数。

 

 

图1. ADC量化误差

例如，假设选择一个12位ADC，则它可在输出端以4096个数字表 示施加于转换器输入端的任何信号。这些表示信息确实存在有限 量的误差。因此，如果12位ADC的输入满量程(VFS)为10 V p-p，那 么其理想情况下的LSB大小为2.44 mV p-p，精度为±1.22 mV。

公式1

而实际上，ADC是非理想的。在转换器内部存在一定噪声，

 

甚至直流中也有噪声。记住，1 kΩ电阻等效于4 nV∙ Hz (1 Hz带 宽，25°C)。注意，查看12位ADC数据手册时，SNR通常为大 约70 dB到72 dB。但是，根据下列公式，一个12位ADC理想情 况下应当具有74 dB：

SNR (dB) = 6.02 × N + 1.76

公式2

因此，实际上12位分辨率是无法达到的，因为转换器本身存在一 定的不精确性，如图2所示。

 

 

图2. ADC的不精确性

这些不精确性或误差决定了转换器表示信号的效率，并最终为信 号链所接收。失调误差定义为传递函数无法通过零点的模拟值。 增益误差是失调误差为零时理想与实际传递函数之间的满量程数 值之差。通常意义上的线性度误差或非线性度是指零电平与满量 程之间的直线偏差，如图1所示。

有关ADC不精确性的更多信息

对最基本的模数转换器误差进行定义并有所了解后，再说明这些 误差的区别会有些帮助。大部分ADC的失调和增益都存在这种小 误差，通常可以忽略或通过外部模拟电路调节(消除)，或者采用 数字技术校正。然而，诸如线性度、量化和温度系数等其他误差 无法轻易调节或消除。

模数转换器线性度只与转换器自身有关，即取决于架构和工艺变 化。有很多方法可以校正，但都很昂贵。设计人员有两种选择： 购买更好、成本更高的转换器，或采用数字手段校正线性度。数 字校正的成本也十分高昂。这意味着可能需要更多资源来指定 DSP或FPGA，因为线性度会随温度和工艺的变化而改变。根据采 样速率、IF和分辨率，数字校正可能需要广泛的特性表述和查找 表，以便即时校正或调节ADC的性能。

线性度有两种类型的误差：它们是差分非线性和积分非线性， 通常分别称为DNL和INL。DNL定义为偏离理想值的一切误差或偏 差。换言之，它表示两个相邻代码的模拟差与理想代码值VFS/2N 之间的偏差。可将其看作与ADC的SNR性能相关的因素。随着代 码的偏差越来越大，转换数也随之下降。该误差在温度范围内的 界限为±0.5 LSB，可保证无失码。

INL定义为零电平和满量程之间的理想直线近似曲率偏差。多数 情况下，INL决定了ADC的SFDR性能。INL总偏差形状可以决定最主 要的谐波性能。比如，INL曲线呈弓形会相应产生更差的偶次谐 波，而INL曲线呈S弓形则通常产生奇次谐波。该误差本质上与频 率有关，并与这类误差分析无关。

哪怕可以消除静态失调和增益误差，与失调和增益误差有关的温 度系数将会依然存在。

例如，一个12位ADC具有10 ppm增益误差，或FSR/°C = 0.001%/°C。 12位系统中的1 LSB为¼096，或者近似等于0.024%。

因此，若125°C ∆ (–40°C至+85°C)，则产生±2.5 LSB增益温度系数 误差，或0.001% × 125 = 0.125%。

其中，0.125/0.024 = 5.1或±2.55 LSB。

对于失调温度系数，5 ppm失调误差或FSR/°C = 0.0005%/°C。

这将产生±1.3 LSB失调温度系数误差，或 0.0005% × 125 = 0.0625。其中，0.0625/0.024 = 2.6或±1.3 LSB。

ADC误差分析

影响转换器性能的其它误差来源有：CMRR、时钟抖动、固有电 路板噪声、耦合等等。所有这些误差最终都决定了ADC如何有效 地表示信号；通常在频率域内ADC能更高效地表示自身。

从时域角度来看，分析转换器的总精度需要了解下面五个误差：

• 相对精度DNL，定义为±0.5 LSB
• 相对精度温度系数和DNL温度系数，通常包含在数据手册的相 对精度规格中。
• 增益温度系数误差，为±2.5 LSB (数据来源于上文示例)
• 失调温度系数误差，为±1.3 LSB (数据来源于上文示例)
• 电源灵敏度，通常以第一奈奎斯特区内的低频PSRR (电源抑制 比)表示。对于12位ADC而言，它一般可表示为60 dB或±2 LSB。

只需进行方和根(RSS)运算，所有这些误差源构成±3.5 LSB总转换器 误差。这个结果可能过于悲观了。然而，统计容差结果可能过于 乐观了，或者总误差之和除以误差数，即(0.5 + 2.5 + 1.3 + 2)/4 = ±1.58 LSB。ADC实际容差应当介于这两种思路或方法之间。

因此，当在转换器中加入精度误差的时候，或者进行任何系统精度分析的时候，设计人员应当使用加权误差源法，然后对这 些误差源进行RSS计算。这是确定ADC总误差的最佳方法。

因此，±0.5 LSB的相对精度应当保持在100%。然而，±2.5 LSB增益 温度系数误差应当是总误差的66%，或2.5/(0.5 + 1.3 + 2) × 100。 ±1.3 LSB的失调温度系数误差将为总误差的26%，或 1.3/(0.5 + 2.5 + 2) × 100。±2 LSB的电源灵敏度误差将为总误差的47%，或2/(0.5 + 1.3 + 2.5) × 100。将这些加权误差以RSS方式相加，或者进行平方根计算则总误差为±2.0 LSB，这是一个更接近实际的结果，介于上文乐 观方法和悲观方法得出的结果之间。

ADC带宽精度

ADC还有建立时间精度。记住，转换器的内部前端需要具有足够 的带宽(BW)，才能精确地对信号进行采样。否则，累积误差将大 于上文讨论的结果。

一般而言，一个ADC的内部前端需要在半个周期或采样时钟周期 内建立(0.5/Fs)，这样才能提供对内模拟信号捕捉的精确表达。因 此，对于一个12位ADC(采样速率为2.5 GSPS，满量程输入范围为 1.3 V p-p)来说，全功率带宽(FPBW)可通过下列瞬态公式推导：

 

求解t：

t = −τ × ln(1 LSB/VFS)

代入 τ = 1/(2 ×  π × FPBW)，一个时间常数，求解FPBW：

FPBW = − (1/(2 ×  π × t)) × ln(1 LSB/VFS)

现在，令t = 0.5/Fs，则样本建立所需的时间如下(样本周期为1/Fs)：

FPBW = − (Fs/ π  × ln(1 LSB/VFS) = –(2.5G/ π ) × ln(317 m V p-p/1.3)) = 6.62 GHz.

这样会使ADC内部前端所需的带宽或FPBW最小。这是转换器内部 前端建立至1 LSB以内并正确采样模拟信号所需的带宽。为了满 足这类ADC的1 LSB精度要求，这将会需要花费数个时间常数。

一个时间常数为24 ps或τ = 1/(2 ×  π × FPBW)。要了解ADC满量程 范围内达到LSB尺寸要求所需的时间常数数量，就需要找出满量 程误差或%FS。或者，其中N = 位数，或1.3 V p-p/ ，且%FS = (LSB/FS) × 100 = 0.0244。
通过描绘欧拉数或eτ，可以绘出一条曲线，以便每次通过常数都 能方便地看出相对误差。如图3可见，12位ADC样本建立至大约 1 LSB以内需时8.4个时间常数。

通过描绘欧拉数或，可以绘出一条曲线，以便每次通过常数都 能方便地看出相对误差。如图3可见，12位ADC样本建立至大约 1 LSB以内需时8.4个时间常数。

 

 

图3： 建立精度与时间常数的关系

这样，设计人员便能估算用于转换器的最大模拟输入频率或采样 带宽，并依旧建立至1 LSB误差以内。超出这个范围，则ADC无法 精确表示信号。 这可以简单定义为：或 1/(24 ps × 8.4) = 4.96 GHz。

记住，这里表示的是最佳情形，并假定采用单极点ADC前端。并 非所有现实中的转换器都以这种方式工作，但这是一个很好的开 端。例如，上文描述的模型最高可适用至12位，但针对14/16位 以及更高位则需要根据这些细微影响采用二阶模型，以使建立时 间扩展至预测的一阶模型以外。

关于ADC带宽的简要说明

记住，ADC全功率带宽不同于上文定义的转换器可用带宽或采 样带宽。它可以当成是模拟信号输入运算放大器的全功率带 宽(FPBW)，信号更像是三角波信号，并且输出端存在大量失 真。

FPBW是ADC精确捕捉信号并使内部前端正确建立所需的带 宽(前文示例中为6.62 GHz)。选择一个IF并在该范围内使用转换器 不是一个好主意，因为系统的性能结果会大幅改变；

在大约 5 GHz处，如上文示例所示，根据转换器数据手册中的额定分辨率 和性能指标，满量程带宽远高于转换器自身的最大采样带宽。设 计是围绕采样带宽而展开的。所有设计都应当避免使用额定全功 率带宽的某一或全部最高频率部分，否则动态性能(SNR/SFDR)会 下降并大幅改变。为了确定高速ADC的采样带宽，应当使用上文 中的示例，因为这些数据并非总能从数据手册中获取。

通常，数 据手册会规定甚至列出转换器采样带宽内经过生产测试、能够保 证额定性能的频率。然而，在较老的ADC产品中这些测试频率在 数据手册中并不总是以来定义。今后还需要对行业中的这些 带宽术语做出更好的说明、定义和测试。

结论

本文给出了有关如何查看一般静态ADC的不精确性误差和涉及带 宽的ADC不精确性误差的指导说明。还提供了针对ADC误差以及 这些误差如何影响信号链的更深入解释。请记住，并非所有的元 件都采用相同的方式构建，这对于有源和无源器件来说都是正确 的。创建囊括所有这些误差的电子表是插入不同信号链元件的简 便方法，可更快进行评估并决定元件的权衡取舍。这在元件之间 进行成本、尺寸和功耗的权衡取舍以及衡量信号链性能差异方面 尤为如此。

进行下一款信号链设计时，应牢记这些原则。提出申请后，我们 将为您发送一份电子表格分析，其中会强调上文提到的示例。您 可随意使用该电子表格，以满足您的设计需要。若您有任何其它 问题，请通过ADI EngineerZone® (在线技术支持社区)与我联系，或 者通过RReeder与我联系。

有关如何生成完整的信号链分析将在《第二部分：模拟信号链精 度》中进行讨论。最后，请记住，单纯增加信号链中ADC的性能 或分辨率无法提升测量精度。如果依旧存在同样数量的前端噪 声，精度将不会得到改善。只会让噪声测量达到更精细的程度， 并最终可能让设计人员的老板付出更多的成本。