ADC/DAC设计常见40问，看完不会再出错
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ADC/DAC设计常见40问，看完不会再出错
　　本文章是关于/设计经典问答，涵盖时钟占空比、共模电压、增益误差、微分相位误差、互调失真等常见问题。本文引用地址：　　1.&什么是小信号带宽(SSBW)?　　小信号带宽(Small&Signal&Bandwidth&(SSBW))是指在指定的幅值输入信号及特定的频率下，它的输出幅值比低频时的输出幅值下降指定值时，该特定频率为小信号带宽。　　2.&什么是共模电压(VCM)?　　共模电压(Common&Mode&Voltage&(VCM&))是差动输入的两个引脚上相同的直流输入电压。　　3.&什么是MSB(最高有效位)?　　MSB(最高有效位(Most&Significant&Bit))，是具有最大的值或权重的位。它的值是满量程的一半。　　4.&什么是采样(孔径)延时?　　采样(孔径)延时(Sampling&(Aperture)&Delay)是时钟输入的后边缘到采样开关打开所需的时间。采样/保持电路有效地停止输入信号捕获，并进入“保持”模式，确定时钟延时后的采样。　　5.&什么是满量程(FS)输入范围?　　满量程输入范围(Full&Scale&Input&Range)，是指模数转换器上数字化的输入电压的输入范围，既不低于这个范围也不超过这个范围。比如&V&REF&+&=&3.5V&和&VREF&-&=&1.5V，&FS&=&(VREF&+&)-(VREF&-&)&=2.0V。　　6.&什么是时钟占空比?　　时钟占空比(Clock&Duty&Cycle)是时钟波形高电平时间和一个时钟周期总时间的比值。　　7.&什么是位的有效数(ENOB&，或有效位)?　　位的有效数(ENOB&，或有效位)(EffecTIve&Number&of&Bits&(ENOB，&或EffecTIve&Bits))是信噪比和失真的比率，或SINAD的另一种表达方法。&ENOB定义为(SINAD&-1.76)/&6.02，这个位数(ENOB)表示转换器是与理想的模数转换器等效。　　8.&什么是增益误差?　　增益误差是在第一个代码和最后一个代码发生转换时，实际输人电压与理想输人电压之差。即，这个差值是：满量程&-&2&LSB。　　9.&许多模数转换器在数据手册中提供的应用，在Va，&Vd&和Vref引脚上出现了三个电容。这三个电容器都是必须的吗?　　根据特定器件和电路板的布局，一个或两个电容可能就足够了。较大的电容，通常是5到10?F的，提供了低阻抗大容量存储，在转换期间保证了电压的稳定性。较小值的电容器吸收较高频率的噪音尖峰。如果印制电路板具有非常好的布局用于低噪声工作，而且不包含一个微控制器或其他的嘈杂的数字逻辑，可能需要更少的电容器。但是为使工作电平精度获得保证，一般情况下最好是遵循数据手册的推荐。　　10.&什么是零误差?　　双级输出的零误差是理论的输入电压(典型的是中心值加1/2LSB)和实际输入电压之间的差异，这个实际输入电压引起了输出从0到1的转换。　　11.&什么是输出保持时间?　　输出保持时间是指在输入时钟边缘后输出有效数据的时间长度。　　12.&什么是分辨率?　　分辨率是模拟增量，相当于1&LSB转换器代码的变化。分辨率也被定义为转换器位数(n)的个数。数字代码的个数等于2^n，其中“n”是位的个数。举一个例子，一个12位转换器模拟信号和2&^&12&=&4096数字编码的映射关系。12位模数转换器的分辨率，是输入电压的满量程除以2^12，或4096，不会引起输出代码超出范围。　　13.&什么是微分相位误差?　　微分相位误差(DifferenTIal&Phase&Error)是指，小信号正弦波在两个不同的直流(DC)输入电平重构下，输出相位的差。　　14.&什么是模/数转换器的动态指标?　　模/数转换器的动态指标(DynamicSpecificaTIons)涉及到那些交流(AC)输入信号。这些包括信/噪比(SNR)，SINAD(信号噪声+失真)，ENOB(有效位数)，THD(总谐波失真)，IMD(互调失真)，FPBW(全功率带宽)，SSBW(小信号带宽)。　　15.&什么是互调失真(IMD)?　　互调失真(Intermodulation&Distortion)，是指没有出现在输入端，作为两个正弦曲线的频率同时作用于模数转换器的输入，而形成的额外的频谱成分。它被定义为在互调积中的能量和原始频率中的总能量比值。互调失真(IMD)通常用分贝(dB)来表示。　　16.&什么是增益温度系数(满量程温度系数)?　　增益温度系数(满量程温度系数)是指增益误差变化量和温度变化量的比值。通常用每百万分之/&摄氏度(ppm/°C)表示。　　17.&什么是总谐波失真(THD)?　　总谐波失真(THD)，用dB或dBc表示，是指总的谐波电平(美国国家半导体模数转换器是9个谐波段)和输入信号的倍频出现在输出的电平。总谐波失真(THD)计算方法如下：&THD=“sqrt”[&(&f2xf2&+&f3xf3&+f4xf4&+&f5xf5&+&f6xf6&+&f7xf7&+&f8xf8&+&f9xf9&+&f10xf10)&/&(f1xf1)&]&f1是输入信号的基频，f2&到f10这9个谐波频率是基频的倍频。　　18.&什么是零刻度偏移误差?　　单极输出模数转换器的零刻度偏移误差是指理想的输入电压(1/2&LSB)&和实际输入电压之间的差，引起输出代码由0到输出代码1的转换。　　19.&什么是全功率带宽(FPBW)?　　全功率带宽(FPBW)是指满量程输入在重构的输出基频下降到3分贝时低于其低频值的频率。　　20.&什么LSB(最低有效位)?　　LSB(最低有效位)，是指所有位中最小的值或权值。这个值是m*VREF/2&n，其中：“&m&”为主，是基准量程因子(这是最常见的单位)，其中“n”是模数转换器的分辨率。　　21.&怎样才能消除模数转换器时钟线和控制线上的超调量和/或欠调量?　　超调量和/或欠调量，是由高速信号边缘和不匹配信号终端混合引起的。增加一个47至100Ω电阻串联到输入，电阻要尽可能的靠近时钟源。目的是为了和时钟线上的信号阻抗匹配，输电线路也应该这样考虑。串联的终端用一个小的附加电源，为减少摆动效应通常是足够了。　　22.&什么是输出延时?　　输出延时是指输入时钟的后边缘到数据更新出现在输出引脚的延迟时间。　　23.&什么是孔径抖动?　　孔径抖动是指采样值间孔径延时的变化。孔径抖动作为输入噪声出现。　　24.&什么是信号噪声及失真比(S/(N+D)&或&SINAD)&?　　信号噪声及失真比(S/(N+D)&或&SINAD)，用分贝表示(dB)，出现在输出的输入信号的有效值和所有其他光谱成分的有效值的比值，频谱成分包括低于时钟频率一半频谱的谐波，但不包括直流。　　25.&什么是满量程阶跃响应?　　满量程阶跃响应，定义为VIN从VREF-变化到VREF+，或从VREF+变化到&VREF-，为转换器设定足够的恢复，并满足其额定精度的转换所需的时间。　　26.&什么是通道延时(潜伏期)?　　通道延时(潜伏期)，是指转换启动到转换的数据出现在输出驱动级时之间的时钟周期的数量。数据对于任何给定的采样是可利用通道延时加上输出延迟后进行采样。每隔一个时钟周期，可得到新的数据，但数据落后于通道延时加上输出延时。　　27.&什么是模拟&/数字转换器的静态指标?　　静态指标是关于模数转换器的直流(DC&)信号输入的指标。这些包括增益误差，偏移误差，以及微分与积分线性误差。　　28.&什么是总不可调整误差(TUE)?　　总不可调整误差(Total&Unadjusted&Error(TUE))，是指理想的情况下数字代码的中心和输入电压范围相关的电压的最大偏差。总未调整误差包括偏移误差，增益误差，以及微分与积分非线性误差。　　29.&什么是满量程误差?　　满量程误差，是最后代码的转换离理想的1个&1/2&LSB&以下VREF&+到多大范围的测量，并定义为：VFSE&=Vmax&+&1.5&LSB-&VREF&+&，其中Vmax是转换为最大代码时的电压，可以用伏特表示，最低有效位或满量程范围的百分数。　　30.&什么是转换时间?　　转换时间是指模数转换器完全一个转换所需的时间。转换时间不包括采样时间，多路复用器设置时间，或完成一个转换周期的其他部分，转换时间可能少于吞吐量时间。　　31.&什么是电源抑制比(PSRR)&?　　电源抑制比(Power&Supply&Rejection&Ratio)，可分为两种规格。直流电源抑制比(DC&PSRR&)是特定参数的变化量(例如，满量程误差)和一个电源电压指定变化量的比值。交流电源抑制比(AC&PSRR)是衡量一个电源上叠加的特定频率和振幅的信号，这个信号在输出上的输出振幅，和它在电源引脚上的振幅的比值。电源抑制比(PSRR)通常用分贝表示。　　32.&什么是遗漏码?　　遗漏码，是那些输出码被忽略的，或将永远不会出现在模数转换器输出的。这些码不能通过任何输入值。　　33.&什么是吞吐量率?　　吞吐率是模数转换器最高的连续转换率。　　34.&什么是信噪比(SNR)?　　信噪比(SNR)是一个比率，用分贝(dB)表示，出现在输出的输入信号的有效值和所有其他频谱成分(低于采样频率的一半，除谐波分量和直流分量外)总和的有效值的比率。信噪比&(SNR)是信号电平的有效值与各种噪声(包括量化噪声、热噪声、白噪声等)有效值之比的分贝数。其中信号是指基波分量的有效值，噪声指奈奎斯特频率以下的全部非基波分量的有效值(除谐波分量和直流分量外)。　　35.&什么是吞吐时间?　　吞吐时间是指转换器完成一次转换所花的时间。吞吐时间包括任何多路复用器的建立时间，采样时间，转换时间，输出显示时间。　　36.&什么是直流共模误差?　　直流共模误差(DC&Common-Mode&Error)是用于模数转换器的差分输入的一个规格。当两个输入上的模拟电压被改变相同的值时，发生输出代码的变化量。它通常用LSBs表示。　　37.&什么是偏置误差?　　ADC的偏置误差定义为使最低位被置成“1”状态时ADC的输人电压，与理论上使最低位被置成“1”状态时的输人电压之差。　　38.&印制电路板的电源地是否应作为数字和模拟的共同地?　　是的，他们应该是一样的。但是重要的是，要慎重给所有电源和信号布线以使地电流与电源和信号分开。
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ADC和DAC应用中被忽略的几个关键参数
在讨论7135的时候,提到了INL、DNL等几个参数,可是似乎知道这几个参数意义的朋友并不多.
&& 说起来都是教科书害人.几乎所有的教科书、参考书、文献选编都只关心模数器件的分辨率和速度,而忽略了器件的精度.而关系到器件精度的两个非常重要的参数就是INL值和DNL值.小弟觉得非常有必要专门写一篇贴子来普及一下模数器件精度这个重要的概念.
&& 说精度之前,首先要说分辨率.最近已经有贴子热门讨论了这个问题,结论是分辨率决不等同于精度.比如一块精度0.2%(或常说的准确度0.2级)的四位半万用表,测得A点电压1.0000V,B电压1.0005V,可以分辨出B比A高0.0005V,但A点电压的真实值可能在0.0之间不确定.
&& 那么,既然数字万用表存在着精度和分辨率两个指标,那么,对于ADC和DAC,除了分辨率以外,也存在精度的指标.
&& 模数器件的精度指标是用积分非线性度(Interger NonLiner)即INL值来表示.也有的器件手册用 Linearity error 来表示.他表示了ADC器件在所有的数值点上对应的模拟值,和真实值之间误差最大的那一点的误差值.也就是,输出数值偏离线性最大的距离.单位是LSB(即最低位所表示的量).
&& 比如12位ADC:TLC2543,INL值为1LSB.那么,如果基准4.095V,测某电压得的转换结果是1000,那么,真实电压值可能分布在0.999~1.001V之间.对于DAC也是类似的.比如DAC7512,INL值为8LSB,那么,如果基准4.095V,给定数字量1000,那么输出电压可能是0.992~1.008V之间.
&& 下面再说DNL值.理论上说,模数器件相邻量个数据之间,模拟量的差值都是一样的.就相一把疏密均匀的尺子.但实际并不如此.一把分辨率1毫米的尺子,相邻两刻度之间也不可能都是1毫米整.那么,ADC相邻两刻度之间最大的差异就叫差分非线性值(Differencial NonLiner).DNL值如果大于1,那么这个ADC甚至不能保证是单调的,输入电压增大,在某个点数值反而会减小.这种现象在SAR(逐位比较)型ADC中很常见.
&& 举个例子,某12位ADC,INL=8LSB,DNL=3LSB(性能比较差),基准4.095V,测A电压读数1000,测B电压度数1200.那么,可判断B点电压比A点高197~203mV.而不是准确的200mV.对于DAC也是一样的,某DAC的DNL值3LSB.那么,如果数字量增加200,实际电压增加量可能在197~203mV之间.
&& 很多分辨率相同的ADC,价格却相差很多.除了速度、温度等级等原因之外,就是INL、DNL这两个值的差异了.比如AD574,贵得很,但它的INL值就能做到0.5LSB,这在SAR型ADC中已经很不容易了.换个便宜的2543吧,速度和分辨率都一样,但INL值只有1~1.5LSB,精度下降了3倍.
&& 另外,工艺和原理也决定了精度.比如SAR型ADC,由于采用了R-2R或C-2C型结构,使得高权值电阻的一点点误差,将造成末位好几位的误差.在SAR型ADC的2^n点附近,比如128、、切换权值点阻,误差是最大的.1024值对应的电压甚至可能会比1023值对应电压要小.这就是很多SAR型器件DNL值会超过1的原因.但SAR型ADC的INL值都很小,因为权值电阻的误差不会累加.
&& 和SAR型器件完全相反的是阶梯电阻型模数/数模器件.比如TLC5510、DAC7512等低价模数器件.比如7512,它由4095个电阻串联而成.每个点阻都会有误差,一般电阻误差5%左右,当然不会离谱到100%,更不可能出现负数.因此这类器件的DNL值都很小,保证单调.但是,每个电阻的误差,串联后会累加,因此INL值很大,线性度差.
&& 这里要提一下双积分ADC,它的原理就能保证线性.比如ICL7135,它在40000字的量程内,能做到0.5LSB的INL值(线性度达到1/80000 !!)和0.01LSB的DNL值.这两个指标在7135的10倍价钱内,是不容易被其他模数器件超越的.所以7135这一类双积分ADC特别适合用在数字电压表等需要线性误差非常小的场合.
&& 还要特别提一下基准源.基准源是测量精度的重要保证.基准的关键指标是温飘,一般用ppm/K来表示.假设某基准30ppm/K,系统在20~70度之间工作,温度跨度50度,那么,会引起基准电压30*50=1500ppm的漂移,从而带来0.15%的误差.温漂越小的基准源越贵,比如30ppm/K的431,七毛钱;20ppm/K的385,1块5;10ppm/K的MC;1ppm/K的LM399,14元;0.5ppm/K的LM199,130元.
&& 该死的教科书害了一代学生.说起来好笑的一个现象:我这边新来的学生大多第一次设计ADC电路的时候,基准直接连VCC,还理直气壮的找来N本教科书,书上的基准写了个网标:+5V.天下的书互相抄,也就所有的学校的教科书都是基准接5V.教科书把5V改成5.000V多好?学生就会知道,这个5V不是VCC.或者提一下基准需要高稳定度,也好啊!&&
&& 最后说一下Sigma-Delta型ADC,它比较特殊,对于精度,一般用直接用线性度表示,比如0.0015%.不说差分非线性值,而直接用有效分辨率来表示.此外,Sigma-Delta型ADC还存许多怪脾气,难伺候.我准备专门开一个贴子介绍Sigma-Delta型ADC应用中被忽略的重要问题.
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