ADC的内部结构与主要参数

川长思鸟来 2022-11-06 01:56 122阅读 0赞

## （1）输入电容 ##

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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。

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## （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。

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## （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。

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## （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 ##

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## （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。

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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。

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## （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。

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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。

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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。

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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。

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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 ##

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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。

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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。

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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。

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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。

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## （11）内部结构 ##

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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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