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計算集成斬波放大器的ADC失調(diào)誤差和輸入阻抗

02/21 10:02
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典型DPD應用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中集成的緩沖器放大器通常是斬波型。有關(guān)這種斬波實現(xiàn)的例子,可參見AD7124-8 和AD7779數(shù)據(jù)手冊。需要這種斬波技術(shù)來最大程度地降低放大器的失調(diào)和閃爍噪聲(1/f ),因為與其他工藝(如雙極性工藝)相比,CMOS晶體管噪聲高,難以匹配。通過斬波,放大器的1/f和失調(diào)轉(zhuǎn)換到較高頻率,如圖1所示。

圖1. 閃爍噪聲(1/f )與斬波

在斬波轉(zhuǎn)換過程中,開關(guān)的電荷注入會引起電流尖峰,進而使施加于ADC輸入端的電壓產(chǎn)生方向不定(流入和/或流出)的下降或尖峰。壓降與連接到ADC輸入段的傳感器輸出阻抗成比例。

平均電流值

一般而言,數(shù)據(jù)手冊不會提供電流峰值,因為它難以測量,而且不會增加任何有意義的信息。該信息之所以無意義,是因為緩沖器的斬波頻率高于ADC的輸入信號帶寬。因此,輸入引腳上添加的低通濾波器(用來消除高于奈奎斯特頻率的頻率或信號音,或用來降低耦合噪聲)會對峰值電流進行平均,如圖2所示。

圖2. 輸入電流與時間的關(guān)系

電流表測量輸入電流,一端連接到VDD/2,另一端連接到ADC的模擬輸入引腳。

如果電流表連接到其中一個電壓軌,由于輸入電壓裕量的關(guān)系,測得的電流可能高于數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)格值。

輸入電流與輸入阻抗的關(guān)系

輸入阻抗規(guī)格對精確計算直流誤差沒有幫助,因為與ADC內(nèi)部輸入阻抗引起的負載效應相比,輸入偏置電流是最主要的貢獻因素。

有兩個規(guī)格與輸入偏置電流相關(guān):絕對電流和差分電流。絕對值(IABSOLUTE)是在任意模擬輸入引腳測得的輸入電流。差分輸入電流(IDIFFERENTIAL)是在模擬輸入引腳對之間測得的電流差。這僅適用于差分輸入ADC。

如何計算直流誤差

輸入電流產(chǎn)生一個失調(diào)電壓(VOFFSET),后者與連接到輸入引腳的阻抗直接相關(guān)。

如圖3所示,產(chǎn)生的失調(diào)電壓一般為:

圖3. 漏電流引起的壓降

如果用運算放大器等低阻抗源驅(qū)動模擬輸入引腳,誤差將不很明顯。

ADC測得的誤差取決于施加的輸入信號類型,例如是真差分輸入信號還是偽差分/單端輸入信號。

對于真差分輸入信號,假設輸入電阻(R)完全匹配,那么ADC測得的誤差將是由模擬輸入引腳對之間的差分輸入電流引起,如下式所示:

其中,VADC為ADC輸入電壓。

圖4. 差分輸入ADC

如果電阻不是完全匹配,則在差分輸入電流貢獻之外,電阻不匹配也會產(chǎn)生一個誤差。

一般而言,假設電阻容差為1%,那么最差情況下的失調(diào)電壓定義如下:

對于偽差分/單端輸入信號,有兩種情況:

一個模擬輸入連接到低阻抗源(參見圖5)。誤差定義為:

圖5. 偽差分/單端ADC

兩個輸入均連接到高阻抗源(參見圖6)。誤差與使用真差分信號的情況相同。

圖6. 偽差分ADC

交流誤差

交流分量與輸入阻抗規(guī)格直接相關(guān)。輸入阻抗可以是阻性或容性。若輸入阻抗為容性,則給定頻率下的阻抗計算如下:

其中:

Zc為輸入阻抗。

CIN為數(shù)據(jù)手冊給出的輸入電容。

fIN為輸入頻率。

舉個例子,假設有8 ?pF電容和1 ?kHz輸入帶寬,則最小輸入阻抗約為20 MΩ。

誤差最小化

為使低通濾波器中電阻不匹配引起的誤差最小,最好使用小電阻和大電容,因為電阻產(chǎn)生的失調(diào)和約翰遜噪聲較低。

ADI

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亞德諾半導體全稱為亞德諾半導體技術(shù)有限公司(analog devices,inc.)簡稱ADI。是一家專營半導體傳感器和信號處理ic的卓越的供應商,ADI將創(chuàng)新、業(yè)績和卓越作為企業(yè)的文化支柱,并基此成長為該技術(shù)領(lǐng)域最持久高速增長的企業(yè)之一。ADI是業(yè)界卓越的半導體公司,在模擬信號、混合信號和數(shù)字信號處理的設計與制造領(lǐng)域都發(fā)揮著十分重要的作用。

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Analog Devices, Inc.(簡稱ADI)始終致力于設計與制造先進的半導體產(chǎn)品和優(yōu)秀解決方案,憑借杰出的傳感、測量和連接技術(shù),搭建連接真實世界和數(shù)字世界的智能化橋梁,從而幫助客戶重新認識周圍的世界。