ADC偏移誤差與輸入電壓之間的關(guān)系

Vinay Agarwal

在第一篇ADC精度帖子中，我們確定了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 的分辨率和精度間的差異?，F(xiàn)在我們深入研究一下對ADC總精度產(chǎn)生影響的因素，通常是指總不可調(diào)整誤差 （TUE）。

曾經(jīng)想到過ADC的TUE技術(shù)規(guī)格中的“總”代表什么嗎？他是不是簡單到將ADC數(shù)據(jù)表的所有DC誤差技術(shù)規(guī)格（即偏移電壓，增益誤差，INL）相加，還是要更復(fù)雜一些？事實上，TUE是總系統(tǒng)誤差相對于ADC工作輸入范圍的比率。

更確切地說，TUE是單位為最低有效位 （LSB） 的DC誤差技術(shù)規(guī)格。最低有效位 （LSB） 代表ADC的實際和理想傳遞函數(shù)之間的最大偏離。這個技術(shù)規(guī)格假定未執(zhí)行系統(tǒng)級校準(zhǔn)。在概念上，TUE是ADC運行方式中以下非理想類型數(shù)值的組合：

偏移誤差 （VOS）：如圖1所示，ADC實際和理想傳遞曲線間的恒定差異。這個值是測得的將ADC輸入短接至地而獲得的數(shù)字輸出。

圖1. ADC偏移誤差與輸入電壓之間的關(guān)系

增益誤差：ADC輸出的實際和理想斜率之間的差異。他通常表示為滿量程輸出碼上的ADC范圍或最大誤差的比率。如圖2中所示，增益誤差的絕對值在模擬輸入接近滿量程值時增加。

圖2. ADC增益誤差與輸入電壓之間的關(guān)系

積分非線性 （INL）：實際ADC傳遞曲線到理想直線運行方式的最大非線性偏離。ADC的INL響應(yīng)沒有一定的形狀，并且取決于內(nèi)部電路架構(gòu)，以及由前端信號調(diào)節(jié)電路導(dǎo)致的失真。

圖3. ADC INL誤差與輸入電壓之間的關(guān)系

大多數(shù)ADC數(shù)據(jù)表指定所有上述DC誤差的典型值和最大值，但是未指定TUE這方面的數(shù)值。計算TUE的最大值可不像將所有單獨的DC誤差最大值加在一起那么簡單。這是因為所有這些誤差是不相關(guān)的，并且在出現(xiàn)最差偏移的情況下，增益和線性誤差也許不全都出現(xiàn)在ADC傳遞函數(shù)的同一個輸入電壓上。因此，誤差的簡單求和也許使系統(tǒng)精度看起來未必那么差。這在應(yīng)用的動態(tài)范圍被限制在傳遞函數(shù)的中間時更是如此。

在這典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，與ADC在一起的還有一個輸入驅(qū)動器和一個電壓基準(zhǔn)，他們也會影響總體偏移和增益誤差。因此，在大多數(shù)沒有校準(zhǔn)的系統(tǒng)中，偏移和增益誤差決定了計算TUE最大值時用到的INL。計算特定模擬輸入電壓上的最大TUE的推薦方法是，那一點上所有單個誤差最大值的和方根，（方程式1）。將所有這些誤差轉(zhuǎn)換為同樣的單位很重要，通常轉(zhuǎn)換為LSB。

方程式1生成一個針對TUE的典型“蝴蝶結(jié)”形狀的誤差圖。對于具有較高偏移誤差的系統(tǒng)，“蝴蝶結(jié)”圖有一個更厚的結(jié)（圖4A）。相反，對于增益誤差較高的系統(tǒng)，“蝴蝶結(jié)”的結(jié)變薄，而弓形變厚（圖4B）。

圖4.“蝴蝶結(jié)”形狀的ADC TUE與輸入電壓間的關(guān)系

總的來說，由于誤差取決于ADC工作時的輸入電壓范圍，所以沒有計算ADC最大TUE的確定公式。如果系統(tǒng)不要求采用整個ADC輸入范圍，你可以通過使ADC遠(yuǎn)離其傳遞函數(shù)的端點運行來大大減少TUE。