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一文帶你了解ADC的不精確性

發布時間：2019-12-22 責任編輯：lina

【導讀】ADC廣泛用於各種應用中，尤其是需要處理模擬傳感器信號的測量係統，比如測量壓力、流量、速度和溫度的數據采集係統……任何設計中，理解這些類型應用的總係統精度始終都是非常重要的，尤其是那些需要對波形中極小的靈敏度和變化進行量化的係統。

理想情況下，施加於信號鏈輸入端的每一個伏特都由ADC以數字表示一個伏特的輸出。但是，事實並非如此。所有轉換器和(he)信(xin)號(hao)鏈(lian)都(dou)存(cun)在(zai)與(yu)此(ci)相(xiang)關(guan)的(de)有(you)限(xian)數(shu)量(liang)誤(wu)差(cha)。本(ben)文(wen)揭(jie)示(shi)了(le)轉(zhuan)換(huan)器(qi)內(nei)部(bu)的(de)不(bu)精(jing)確(que)性(xing)累(lei)積(ji)到(dao)何(he)種(zhong)程(cheng)度(du)即(ji)會(hui)導(dao)致(zhi)這(zhe)些(xie)誤(wu)差(cha)。定(ding)義(yi)新(xin)設(she)計(ji)的(de)係(xi)統(tong)參(can)數(shu)時(shi)，若(ruo)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)極(ji)為(wei)重(zhong)要(yao)，那(na)麼(me)這(zhe)些(xie)內(nei)容(rong)對(dui)於(yu)理(li)解(jie)如(ru)何(he)正(zheng)確(que)指(zhi)定(ding)一(yi)個(ge)ADC有著重要作用。

ADC的不精確性

無論何種信號鏈，轉換器都是係統的基本要素。為設計選擇的任何ADC都會決定係統的總精度。換言之，係統精度不可能高於轉換器的最低有效位(LSB)大小。為了表明這一點，讓我們來看一個簡短的ADC不精確性指南。

首先，注意到由於ADC不是理想的，並且分辨率有限，因此它們在輸出端隻能顯示有限數量的信息表示。表示的信息數量由轉換器滿量程輸入除以2N表示，N為轉換器的理想位數。

一文帶你了解ADC的不精確性

圖1. ADC量化誤差

例如，假設選擇一個12位ADC，則它可在輸出端以4096個數字表示施加於轉換器輸入端的任何信號。這些表示信息確實存在有限量的誤差。因此，如果12位ADC的輸入滿量程(VFS)為10 V p-p，那麼其理想情況下的LSB大小為2.44 mV p-p，精度為±1.22 mV。

一文帶你了解ADC的不精確性

（公式一）

而實際上，ADC是非理想的。在轉換器內部存在一定噪聲， KT/C甚至直流中也有噪聲。記住，1 kΩ電阻等效於4 nV∙Hz (1 Hz帶寬，25°C)。注意，查看12位ADC數據手冊時，SNR通常為大約70 dB到72 dB。但是，根據下列公式，一個12位ADC理想情況下應當具有74 dB：

（公式二）

因此，實際上12位分辨率是無法達到的，因為轉換器本身存在一定的不精確性，如圖2所示。

一文帶你了解ADC的不精確性

圖2. ADC的不精確性

zhexiebujingquexinghuowuchajuedinglezhuanhuanqibiaoshixinhaodexiaolv，bingzuizhongweixinhaoliansuojieshou。shitiaowuchadingyiweichuandihanshuwufatongguolingdiandemonizhi。zengyiwuchashishitiaowuchaweilingshilixiangyushijichuandihanshuzhijiandemanliangchengshuzhizhicha。tongchangyiyishangdexianxingduwuchahuofeixianxingdushizhilingdianpingyumanliangchengzhijiandezhixianpiancha，rutu1所示。

有關ADC不精確性的更多信息

對最基本的模數轉換器誤差進行定義並有所了解後，再說明這些誤差的區別會有些幫助。大部分ADC的失調和增益都存在這種小誤差，通常可以忽略或通過外部模擬電路調節(消除)，或者采用數字技術校正。然而，諸如線性度、量化和溫度係數等其他誤差無法輕易調節或消除。

模數轉換器線性度隻與轉換器自身有關，即取決於架構和工藝變化。有很多方法可以校正，但都很昂貴。設計人員有兩種選擇：

購買更好、成本更高的轉換器，或采用數字手段校正線性度，數字校正的成本也十分高昂，這意味著可能需要更多資源來指定DSP或FPGA，因為線性度會隨溫度和工藝的變化而改變；

根據采樣速率、IF和分辨率，數字校正可能需要廣泛的特性表述和查找表，以便即時校正或調節ADC的性能。

線性度有兩種類型的誤差：它們是差分非線性和積分非線性，通常分別稱為DNL和INL。

DNL定義為偏離理想值的一切誤差或偏差。換言之，它表示兩個相鄰代碼的模擬差與理想代碼值VFS/2N之間的偏差。可將其看作與ADC的SNR性能相關的因素。隨著代碼的偏差越來越大，轉換數也隨之下降。該誤差在溫度範圍內的界限為±0.5 LSB，可保證無失碼。

INL定義為零電平和滿量程之間的理想直線近似曲率偏差。多數情況下，INL決定了ADC的SFDR性能。INL總偏差形狀可以決定最主要的諧波性能。比如，INL曲線呈弓形會相應產生更差的偶次諧波，而INL曲線呈S弓形則通常產生奇次諧波。該誤差本質上與頻率有關，並與這類誤差分析無關。

哪怕可以消除靜態失調和增益誤差，與失調和增益誤差有關的溫度係數將會依然存在。

例如，一個12位ADC具有10 ppm增益誤差，或FSR/°C = 0.001%/°C。12位係統中的1 LSB為¼096，或者近似等於0.024%。

因此，若125°C ∆ (–40°C至+85°C)，則產生±2.5 LSB增益溫度係數誤差，或0.001% × 125 = 0.125%，其中，0.125/0.024 = 5.1或±2.55 LSB。

對於失調溫度係數，5 ppm失調誤差或FSR/°C = 0.0005%/°C。

這將產生±1.3 LSB失調溫度係數誤差，或 0.0005% × 125 = 0.0625。其中，0.0625/0.024 = 2.6或±1.3 LSB。

原標題：快進來，今天我們談談ADC的不精確性

（來源：亞德諾半導體）

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