高速模数转换器精度透视中的直流误差分析

在任何设计中，信号链精度分析都可能是一项非常重要的任务，必须充分了解。在本系列的第二部分中，我们讨论了在整个信号链累积起来并且最终会影响到转换器的多种误差。请记住，转换器是信号链的瓶颈，最终决定着信号的表示精度。因此，转换器的选择是设定系统整体要求的关键。在本文中，我们将以上述认识为基础，重点分析可能在给定信号链中累积的直流误差的类型。

在信号链中，可能会累积的误差有两类——即直流和交流误差。直流或静态误差(如增益和失调误差)有助于了解信号链的精度或灵敏度。交流类误差也称为噪声和失真，限制着系统的性能和动态范围。这两类误差都需要了解，因为二者最终决定着系统的分辨率。

本文将专门分析直流误差，根据其与无源和有源器件的关系，对每种不精确性进行细分。同时还将制作一份矩阵或电子表格，用以展示如何用不同的方法在信号中添加或累积误差。

若要了解交流误差，请看参考文献10和11。在此，通过回顾有关噪声的基本知识(如带宽总和、从交流角度看误差累积等)，可以确定模拟信号链设计的总信噪比。

图1. 此简单数据采集信号链系统的设计精度为0.1%

信号链知识回顾

在第二部分里，我们的目标是设计出一种可以达到0.1%精度要求的简单数据采集系统(图1)。即是说，每输入1 V的电压，输出要么为0.99388 V，要么为1.00612 V。因此，转换器规定的动态范围为60 dB或9.67 ENOB，假设其满量程电压为10 V。转换器有两个放大器级、一个多路复用器和一个模数转换器(ADC)。本分析将忽略传感器、电缆、连接器、印刷电路板(PCB)寄生电容和任何外部影响/误差，因为这些情况在很大程度上取决于设计人员要测量的具体应用或信号。

为了给各误差提供参考，应将分析的各级细分成各个部分。数据采集信号链的第一级是一个简单的差分放大器(图2)。该放大器的增益为4×，输入阻抗为500 Ω。设置电容是为了进行可选的滤波处理。

图2. 差分放大器为数据采集信号链的第一级

然后，将放大器的输出信号施加到多路复用器的8个输入端(图3)。每个输入以一个阻尼电阻(RO)进行缓冲，以减少多路复用器通道切换导致的电荷反冲。根据多路复用器数据手册规定的技术规格，每个通道的内部会设有一些寄生电容或额定RO。

图3. 此8:1多路复用器有8个缓冲输入。

然后，将结果形成的通道信号施加到单位增益缓冲级放大器(图4)。使用电阻是为了减少输入偏置电流不平衡。

图4. 将一个通道信号施加到这类缓冲放大器

将经过缓冲的信号施加到12位、1 MSPSADC，在此，信号最终进入数字域(图5)。使用串行电阻是为了缓冲或抑制放大器与转换器之间的信号，加大这两个器件之间的电阻。结果会减少从转换器反冲到放大器的电荷，非常像多路复用器。这也有助于放大器输出建立，并防止其发生振荡。

图5. 信号缓冲后将被施加到12位、1 MSPS ADC

电容提供了一个简单的低通抗混叠滤波器(AAF)，用以衰减目标频带之外的信号和噪声。AAF的设计在很大程度上取决于系统的设计和应用。最后，上拉和下拉二极管可增添输入保护功能，可防止有可能被施加到转换器输入端的极端过载信号导致的任何故障状况。