關(guān)于高速ADC在正弦輸入時(shí)DNL測(cè)試結(jié)果的研究

一 正弦波幅度分布的概率密度

圖1

所謂在正弦波取值范圍（-A，A）內(nèi)取到某個(gè)值V的概率密度p(V),是指取到V的某個(gè)鄰域內(nèi)的點(diǎn)的概率p(V，dV)與鄰域?qū)挾萪V之比在dV趨向于0時(shí)的極限，即

顯然，p(V，dV)等于該鄰域所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)范圍d(ωt)與全值范圍（-A，A）所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)長度π之比（如圖1所示）,即

二 正弦波作為輸入時(shí)ADC輸出碼的概率分布

取值在V1到V2之間的概率P(V1,V2)為

需要注意的是，在用上式計(jì)算概率時(shí)，務(wù)必使V1/A處于[-1,1]區(qū)間內(nèi)。

對(duì)于理想的全差分ADC來說，假設(shè)輸入信號(hào)范圍為[-VREF,VREF]，則輸出碼i∈[0~2^N-1]所對(duì)應(yīng)的概率為

其中量化步長

。

獲得p(i)分布的matlab代碼如下：

p(i)的分布圖示例：（N=8,10,12,14）

把上面紅線部分拉開看

大寫的Amazing！

三 ADC DNL測(cè)試結(jié)果呈虹狀弧線的理論解釋

實(shí)際計(jì)算DNL時(shí)所用的公式為

式中N(i)為實(shí)際得到的histogram中第i個(gè)code碼出現(xiàn)的次數(shù)，即第i個(gè)bin的高度，NS為樣本點(diǎn)的總數(shù)，p(i)Ns為第i個(gè)code出現(xiàn)次數(shù)的期望值（理想ADC code i應(yīng)出現(xiàn)的次數(shù)）。由于噪聲或其他因素導(dǎo)致每個(gè)bin的高度最有可能出現(xiàn)±1的誤差，體現(xiàn)在DNL上的誤差為：

由code碼概率分布可知，中間code出現(xiàn)的概率遠(yuǎn)小于兩邊code碼的概率（例如N=12時(shí)，p(2^N-1)/p(2^(N/2)-1)=64;N=14時(shí)，p(2^N-1)/ p(2^(N/2)-1)=128?。?因此 ΔDNL(i)也遵循著同樣的規(guī)律，即中間最大，向兩邊遞減，呈虹狀弧線（如圖X所示），并且隨著Ns的增大，虹狀弧線逐漸減小直至消失。

圖X

四 實(shí)例演示樣本點(diǎn)數(shù)對(duì)DNL圖的影響

以一個(gè)12bit、切換方式為MCS的SAR ADC為例，作圖演示樣本點(diǎn)數(shù)分別為2^17、2^18、2^19時(shí)，DNL圖樣的變化：

N=131072，虹狀弧線明顯

N=262144，虹狀弧線減弱

N=514188，虹狀弧線基本消失

附 DNL作圖代碼

說明：出于知識(shí)產(chǎn)權(quán)，這里并沒有加入DAC mismatch模型，而是在輸入信號(hào)里加了高斯噪聲以產(chǎn)生可觀的DNL圖像。

附 SAR ADC建模代碼