ADC的内部结构与主要参数

(1)输入电容

如图所示,当进行采样时,输入电容为60pF,当处于保持模式时,输入电容为4pF。

ADC的简图如下,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,采用的目的是用输入信号对采样电容进行充电,这段时间称为采用周期。在保持模式下,ADC开始转换采用的信号,这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。

(2)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,这个电流由器件内部的ESD保护和其他参数引入,在进行建模分析时,可以认为是一个直流电流源加在AD的两个输入端口,通常为微安或纳安级别,输入漏电流类似于运放的输入偏置电流,应注意电流的流向可以是任意方向的。下图展示漏电流如何流经各个阻抗形成误差电压。可见每个端口均引入了一个10微伏的误差电压,相应地输入端的漏电流为1微安,一般而言其大小和极性可能是不同的,这取决于不同的器件。

(3)输入阻抗

很多情况下输入阻抗是一个动态阻抗,动态阻抗是由输入漏电流点入电容开关充放电的结果,然而一些ADC中有固定的阻抗增益放大器,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。如下图,当输入10V信号时,计算输入漏电流的计算结果,1千欧的阻抗也会产生增益误差,因为其与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,建议尽可能地降低前端阻抗。

(4)参考电流

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值作为内部电容充电的起始位置。

(5)理想传输函数

(6)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,如图所示,一些代码的宽度要比理想的宽度长或短。

差分非线性的计算公式为:

DNL(k)=(W(k)-Q)/Q

计算过程为用实际代码的宽度减去理想代码的宽度,再除以理想宽度,实际代码宽度是通过减去两个相邻代码的转换,即:

W(k)=T(k+1)-T(k)

(7)缺失代码

(8)积分非线性

积分非线性用于测量ADC传递函数与拟合直线的比较,为了消除增益和偏移误差,将实际ADC传递函数的两个端点进行拟合,如下图,绿色的线表示拟合直线,从初始代码000到终止代码111,对于理想的ADC,其拟合直线是处于传递函数的中间的,然而实际的传递函数如图中蓝色所示,因此存在正的积分非线性。

(9)失调误差和增益误差

选择ADC的起始点和终止点作为拟合参数,拟合曲线为:

Y=mx+b

斜率可以通过任意两点的坐标确定,失调误差就是当x=0时,y轴的截距,增益误差是理论斜率和实际斜率的差值百分比,失调误差和增益误差通常也被称为直流误差。失调误差受电源电压和共模电压影响。

共模输入电压是指两个输入端的平均值,当输入电压发生变化时,将会引入一个误差源,此处可以理解为一个失调误差源加在了输入端,误差源的大小由共模抑制比来确定,即CMRR,共模抑制比通常用分贝来表示。下图为共模误差与共模电压变化量之间的关系。

电源抑制比PSRR可以理解为电源产生的误差源,加在了ADC的输入端,电源的抑制比是电源电压变化量的一个函数,电源的变化量和噪声将会影响输入端,形成一个误差源,电源抑制比的表达式与共模抑制比类似,只是其以电源电压作为变量。

此处为ADC共模抑制比的一个例子,测量共模抑制比最简单的方法就是将两个输入端连接在一起,改变共模电压。由于共模电压是两个输入端电压的平均值,因此当两个输入电压连接在一起时,输入电压就是共模电压。此处共模电压的范围是从5V到2.5V 变化的,纳米共模电压的变化量就是2.5V,若CMRR为100dB,则共模误差为25微伏。

电源抑制比考虑的是电源电压变化引起的误差,该误差可以理解为直流电源的变化量或噪声信号,此处考虑0.2V,200kHz的噪声信号加在电源上,如图所示PSRR为58dB,则此时引入的输入端噪声是252微伏。

(10)单端输入和伪差分输入

单端输入结构输入信号是相对于地来测量的,此处AD的正输入端连接到了输入信号,负端连接到了地,显然,在这种情况下,地端若存在小小的误差信号,则其将会影响到输入信号的大小。

伪差分输入结构的输入信号大小是相对于满量程的一半来测量的,此处满量程为3V,ADC的负端输入连接到了满量程的一般,即1.5V,正输入端可以在负输入端的上下进行摆动,产生正负差分输入信号,此处,当正输入端信号为3V时,差分输入电压为3V减去1.5V,即1.5V,当正输入电压为0V时,差分输入电压为0减去1.5V等于-1.5V,因此对于伪差分型器件其输出代码是有符号的,因为存在正负两种情况,同理对于单端输入结构,其输出代码是无符号的,因为所有输入信号都是正的。

(11)差分输入结构

差分信号等于正输入电压减去负输入电压,假设信号A的范围为0至5V,信号B的范围为0至5V,则其差分信号的范围为-5V至5V。因此差分输入范围是每个输入电压的两倍。

共模信号等于正输入与负输入的平均值。

全差分输入结果如上图所示,注意,共模电压是固定的,共模电压是满量程的一半,共模输入电压的精度是非常重要的。对于全差分输入结果,信号总是关于共模电压对称,输入电压关于2.5V对称。使用运放可以将单端输入转换为差分输入。

真差分输入结构如上图所示,与全差分输入结构类似,区别在于真差分输入结构允许任意的共模电压范围,然而全差分结构共模电压必须为满量程电压的一半。如图所示,两个输入电压是相互独立的,输入范围为正输入减去负输入,应注意,共模电压可以在整个范围内变化,同时可以看出,输入信号也没有关于共模电压对称,全差分输入结构是一种非常常见的输入结构。

单极性结构只允许正输入信号,而双极性结构允许正负两种输入。应注意极性的讨论相对于GND。当考虑差分输入型ADC时,通常认为ADC是双极性的,因为其差分输入包括了正负,然而这样的理解是不正确的,因为单极性和双极性是根据输入信号相对于GND来定义的,而不是差分信号。此处为单极性ADC,两个输入电压均为正时,差分信号为负的一个例子。尽管差分信号是负的,但是输入电压都是正的,因此这仍然是单极性结构。

(11)内部结构

这里是两种主要的输入阻抗结构,电阻型和开关电容型,开关电容型由开关和电容组成的采样保持电路构成,一般情况下,采样和保持的时间非常短,此处为300ns,因此需要外部的宽带放大器放大输入端,以使得输入信号在整个捕获周期内达到合适的精度。这里使用的是一个20M的放大器,还需要注意的是,这种结构的输入阻抗是RC构成的动态阻抗,而不是一个固定电阻。开关电容性的SAR型ADC输入范围等于参考电压,运算放大器的选择和RC电路的设计是这类ADC的难点。

对于电阻型,高压型,PGA输入型ADC器件,其内部集成了缓冲放大器,或可编程放大器,这个放大器配置在差分结构中,ADC的输入阻抗等于差分结构的输入电阻,此处其输入阻抗为1MΩ,这种结构相较于上一种有一个重要的优点,即其内部集成了ADC驱动缓冲器,消除了对于外部高速放大器的要求。另一个优点是,输入范围可以大于参考电压。

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