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高分辨率SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的問(wèn)題

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:網(wǎng)友電子設(shè)計(jì)發(fā)布 ? 作者:網(wǎng)友電子設(shè)計(jì)發(fā)布 ? 2021-12-15 15:49 ? 次閱讀

我把家里的地毯換成了木制地板。在移除客廳樓梯的地毯后,我注意到原本“一致”的樓梯臺(tái)階的進(jìn)深寬度其實(shí)很不均勻。對(duì)此,我感到非常驚奇,因?yàn)檫@么多年來(lái)我上上下下卻從未注意到臺(tái)階是不均勻的。這是因?yàn)榈靥航^妙地掩蓋了這個(gè)問(wèn)題。

以我書(shū)呆子式的思維方式,這讓我不禁想到了高分辨率SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的問(wèn)題。我原本以為我家的樓梯是均勻的,就像具有完美對(duì)稱的量化步進(jìn)的無(wú)噪聲ADC的理想轉(zhuǎn)換函數(shù)一樣。圖1為3位ADC的示例。

這讓我這個(gè)書(shū)呆子再次開(kāi)動(dòng)腦筋思考,我家里不太完美的樓梯在尺寸上是非線性的(圖2),這與ADC代碼轉(zhuǎn)換永遠(yuǎn)不會(huì)完全均勻的情況非常類似。ADC的這種不均勻特性主要取決于兩個(gè)方面,即微分非線性(DNL)誤差和積分非線性(INL)誤差。這兩種誤差都是由ADC內(nèi)部電容器電阻的內(nèi)在不匹配性造成的。

此外,樓梯地毯的作用就像一層被添加到(和重疊到)ADC轉(zhuǎn)換函數(shù)上的直流“轉(zhuǎn)換噪聲”(圖3)。這種噪聲來(lái)自包括參考源等在內(nèi)的ADC內(nèi)部電路。噪聲底限能夠隱藏ADC臺(tái)階響應(yīng)的真實(shí)非線性形狀。

就像家里的樓梯一樣,這個(gè)信息在ADC數(shù)據(jù)表中也不明顯。不過(guò),ADC規(guī)格表列出了噪聲功率的典型值,即“轉(zhuǎn)換噪聲”的均方根值。

另外,還可在數(shù)據(jù)表“典型曲線”部分中的直流直方圖中查找到該值。輸出代碼的分布情況代表了轉(zhuǎn)換噪聲的峰至峰值,該值通常等于很少的LSB。圖4以18位SAR ADC ADS8881為例對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。

電氣特性

所有規(guī)格的最小值和最大值的條件都是TA = -40℃至+85℃, AVDD = 3V, DVDD = 3V, VREF = 5V, VCM = VREF / 2V, fSAMPLE = 1 MSPS,除非另有說(shuō)明。典型規(guī)格條件為TA = +25℃, AVDD = 3V, DVDD = 3V。

如果使用DNL/INL對(duì)樓梯的“不均勻性”進(jìn)行量化,情況會(huì)如何呢?有時(shí)很難理解,如何測(cè)量DNL/INL才能達(dá)到比峰至峰轉(zhuǎn)換噪聲更高的精度水平,而且還要確保實(shí)現(xiàn)。

以ADS8881(圖5)為例。當(dāng)因轉(zhuǎn)換噪聲問(wèn)題導(dǎo)致ADC輸出信號(hào)出現(xiàn)高達(dá)+5LSB的誤差時(shí),怎樣才能顯示1.5LSB的DNLMAX規(guī)格值?換言之,在樓梯鋪上地毯時(shí),我們?cè)鯓硬拍芸吹剿牟痪鶆蛐裕?/p>

電氣特性

所有規(guī)格的最小值和最大值的條件都是TA = -40℃至+85℃, AVDD = 3V, DVDD = 3V, VREF = 5V, VCM = VREF / 2V, fSAMPLE = 1 MSPS,除非另有說(shuō)明。典型規(guī)格條件為TA = +25℃, AVDD = 3V, DVDD = 3V。

其實(shí),我已經(jīng)給出了答案——移除地毯!與此類似,要想測(cè)量高分辨率ADC的真實(shí)線性(INL/DNL)度,需要首先消除直流轉(zhuǎn)換噪聲,然后觀察下面的噪聲底限。

在ADC中,平均值法是消除ADC中噪聲“地毯”的主要工具,用以測(cè)量正確的INL/DNL,這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換噪聲具有白噪聲特性。

為了求得平均值,需要應(yīng)用來(lái)自非常穩(wěn)定的基準(zhǔn)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出的已知電壓,然后再執(zhí)行多次采樣和轉(zhuǎn)換穩(wěn)定輸入電壓,并對(duì)數(shù)字輸出代碼求平均值,從而確定出特定點(diǎn)的線性度。

如果在閱讀ADC產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)時(shí)感到一團(tuán)糟,那么請(qǐng)花點(diǎn)時(shí)間理清思路,想想我所介紹的樓梯比喻。這樣對(duì)ADC的非線性問(wèn)題就會(huì)豁然開(kāi)朗!

審核編輯:何安淇

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