想了解 ADC 的非线性度吗?揭开地毯看一看:)
上周,我把家里的地毯换成了木制地板。在移除客厅楼梯的地毯后,我注意到原本“一致”的楼梯台阶的进深宽度其实很不均匀。对此,我感到非常惊奇,因为这么多年来我上上下下却从未注意到台阶是不均匀的。这是因为地毯绝妙地掩盖了这个问题。
以我书呆子式的思维方式,这件让我不禁想到了高分辨率 SAR 模数转换器 (ADC) 的问题。我原本以为我家的楼梯是均匀的,就像具有完美对称的量化步进的无噪声 ADC 的理想转换函数一样。图 1 显示了 3 位 ADC 的实例情况。
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图1.ADC 转换函数——“均匀一致的楼梯”
这再次让我这个书呆子开动脑筋思考,我家里不太完美的楼梯在尺寸上是非线性的(图 2),这与 ADC 代码转换永远不会完全均匀的情况非常类似。ADC 的这种不均匀特性主要取决于两个方面,即微分非线性 (DNL) 误差和积分非线性 (INL) 误差。这两种误差都是由 ADC 内部电容与电阻的内在不匹配性造成的。
![](../img/eep-analog/analog-325272i515bj5rjk.png)
图2. ADC 非线性——“真实的楼梯”
此外,楼梯地毯的作用就像一层被添加到(和重叠到)ADC 转换函数上的 DC“转换噪声”(图 3)。这种噪声来自包括参考源等在内的 ADC 内部电路系统。该噪声底限能够隐藏 ADC 台阶响应的真实非线性形状。
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图3. ADC 非线性噪声 ——“铺上地毯的楼梯”
就像家里的楼梯一样,这个信息在 ADC 产品说明书中也不明显。不过,ADC 规范表列出了噪声功率的典型值,即“转换噪声”的均方根值。
另外还可在产品说明书“典型曲线”部分中的 DC 直方图中查找到该值。输出代码的分布情况代表了转换噪声的峰至峰值,该值通常情况下均等于很小的 LSB。图 4 以ADS8881(18 位 SAR ADC)为例对此进行了阐述。
![](../img/eep-analog/analog-32529g2hqvpc3bfh.png)
图4.ADS8881产品说明书给出了转换噪声和 DC 直方图曲线
如果使用 DNL/INL 对楼梯的“不均匀性”进行定量,情况会怎样?有时很难理解,如何测量 DNL/INL 才能达到比峰至峰转换噪声更高的精度水平,而且还要确保实现。
以ADS8881(图 5)为例。当因转换噪声问题导致 ADC 输出信号出现高达 +5LSB 的误差时,我们怎样才能显示 1.5LSB 的 DNLMAX规范值?换言之,在楼梯铺上地毯时,我们怎样才能看到它的不均匀性?
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图5.ADS8881产品说明书的 DNL 和 INL 规范值
其实,我已经给出了答案,那就是移除地毯!与此类似,要想测量高分辨率 ADC 的真实线性 (INL/DNL) 度,您需要首先消除 dc 转换噪声,然后观察下面的噪声底限。
在 ADC 域,平均值法是消除 ADC 中噪声“地毯”的主要工具,用以测量正确的 INL/DNL,这是因为转换噪声具有白噪声特性。
为了求得平均值,大家首先需要应用来自非常稳定的参考源或数模转换器 (DAC) 输出端的已知电压,然后再执行多次采样和转换稳定输入电压,并对数字输出代码求平均值,从而确定出特定点的线性度。
如果您在阅读 ADC 产品说明书时感到一团糟,那么请花点时间理清思路,想想我所介绍的楼梯比喻。这样对 ADC 的非线性问题就会豁然开朗!
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