為確保系統(tǒng)滿足所需的精度規(guī)范，透徹了解不同的誤差源非常重要。決定信號鏈精度的最關鍵要素之一是A/D 轉換器 (ADC)，這是本文的重點。請記住，ADC 的精度可以用絕對精度、相對精度和總未調整誤差 (TUE)來表征。

一個偶爾讓年輕工程師感到困惑的常見問題是：精度與分辨率有何關系？例如，我的 12 位 ADC 是否也是 12 位精度的？在之前關于微分非線性 (DNL) 誤差規(guī)范的文章中，我們簡要討論了分辨率和精度表征 ADC 的兩個不同方面。

ADC 設計參數(shù)——分辨率

分辨率指定了 ADC 特性曲線中的步數(shù)。對于具有統(tǒng)一步長的理想 ADC，分辨率決定了模擬輸入電壓的最小變化，使輸出變化一個計數(shù)。例如，具有 12 位分辨率的 ADC 可以解析 2?12中的 1 部分?（4096 中的 1 部分）。換句話說，12 位 ADC 可以檢測小至滿量程值的 0.0244% 的電壓。然而，這并不意味著轉換誤差（ADC 輸出的輸入和模擬等效值之間的差異）小于 0.0244%。

分辨率主要是一個設計參數(shù)，而不是性能規(guī)格。它沒有指定實際由非理想效應（如 ADC 非線性、偏移和增益誤差）決定的轉換誤差。

ADC 精度：當精度低于分辨率時

在數(shù)據(jù)轉換器的上下文中，通常用位數(shù)來表示精度。例如，我們可以說這個 ADC 是 12 位精度的。這意味著轉換誤差小于滿量程值除以 2?12。換句話說，轉換誤差小于一個 LSB（最低有效位）。

考慮到這一點，這可能不是表達性能準確性的準確方法，因為不清楚該特征中實際包含哪些誤差源。然而，它似乎通常指的是偏移、增益和積分非線性 (INL) 誤差的綜合影響。轉換器的精度可能遠低于其分辨率。

例如，考慮下面圖 1 中所示的 12 位 ADC。

圖 1.??12 位 ADC 示例。

圖中，藍色和紫色曲線分別是理想特性曲線和實際特性曲線。在這個特定的例子中，偏移和增益誤差被校準掉了。代碼 7FD 的寬度為 5 個 LSB，這導致代碼 7FE 處出現(xiàn) 4 個 LSB 的 INL 錯誤。此代碼中的錯誤由以下原因給出：

等式 1。

這可以簡化為：

等式 2。

由于轉換誤差等于滿量程值除以 2?10，我們稱其精度為 10 位。上圖應該可以幫助您更好地理解這一點。首先，請注意，對于給定的滿量程值，10 位系統(tǒng)的步進比 12 位系統(tǒng)的步進寬 4 倍。在 12 位系統(tǒng)中，A 點和 B 點之間的差異為 4 LSB，而在 10 位系統(tǒng)中僅為 1 LSB。因此，公式 1 和 2 告訴我們，INL 為 4 LSB 的 12 位系統(tǒng)引入的誤差等于 INL 只有 1 LSB 的 10 位系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。

從 INL 誤差的角度來看，這兩個系統(tǒng)具有相同的性能。但是，這并不意味著這兩個系統(tǒng)完全相同。例如，?12位系統(tǒng)的最大量化誤差比10位系統(tǒng)小四倍（或者說12位系統(tǒng)的量化噪聲功率小16倍）。

為了更容易地計算精度，我們可以使用以下等式：

等式 3。

其中“錯誤”在原始系統(tǒng)的 LSB 中。將其應用到上面的例子中，我們得到：

ADC 精度：當精度高于分辨率時

考慮如下所示的三位特性曲線（圖 2）。

圖 2.?三位特征曲線示例。

在這種情況下，只有代碼 010 和 011 的 INL 是非零的。最大的誤差出現(xiàn)在代碼010處，可以用滿量程值寫成如下：

這可以簡化為：

由于轉換誤差等于滿量程值除以 2?6，我們可以說其精度為 6 位。具有 6 位精度的三位 ADC 意味著什么？這意味著我們的 3 位 ADC 產(chǎn)生的誤差與 INL 為 1 LSB 的 6 位 ADC 產(chǎn)生的誤差相同。也就是說，我們ADC的步進是精確控制的（優(yōu)于ADC的位數(shù)）。因此，ADC 僅引入了超出其量化誤差的少量誤差。

同樣，我們可以使用公式 3 計算 ADC 精度并得到：

分段和兩步 ADC 簡介

讓我們從稍微不同的角度來研究上述 3 位 ADC，以更好地理解為什么可能需要比分辨率更高的精度。

假設我們有一個理想的三位數(shù)模轉換器 (DAC)。我們可以使用此 DAC 將 ADC 輸出轉換回模擬信號。從原始模擬輸入中減去 DAC 輸出，我們可以找到 3 位量化器的量化誤差（或“殘留”信號）。這在圖 3 中進行了說明。

圖 3.?顯示從 ADC 輸入減去 DAC 輸出的“殘留”信號的示例圖。

雖然 ADC 的分辨率只有 3 位，并引入了較大的量化誤差，但其線性誤差相對較低。由于量化誤差是主要的誤差來源，因此可以通過第二個 ADC 進一步處理殘留信號，以產(chǎn)生高于 3 位的整體分辨率。這是可能的，因為 3 位 ADC 的線性誤差不會破壞我們的信號。我們只需要將 3 位 ADC 的大量化誤差再數(shù)字化一次，即可獲得更精細分辨率的整體 ADC。這實際上是分段和兩步 ADC 的工作原理。圖 4 顯示了這些 ADC 的更詳細框圖。????

圖 4.?分段和兩步 ADC 的示例框圖。圖片由F. Maloberti提供

第一個 ADC 執(zhí)行粗略轉換并確定最終輸出中最高有效位 (MSB) 的 M 位。然后殘留信號由第二個 N 位 ADC 處理。第二級執(zhí)行精細轉換并生成輸出的 N 位 LSB。這種結構允許我們用轉換速度換取功耗和硅片面積。例如，兩步架構需要的比較器數(shù)量明顯少于全閃存轉換器。

對于兩步架構，粗略 ADC 的精度需要比其分辨率好得多。除了粗ADC，DAC、減法器對殘差信號的精度也起著關鍵作用。這就是為什么要仔細確定每個模塊的最大允許誤差，以實現(xiàn)一定的整體精度性能。

現(xiàn)在我們已經(jīng)確定了分辨率和精度之間的區(qū)別，讓我們看一個簡單的例子，看看我們如何計算具有非零偏移和增益誤差的 ADC 的精度。

使用 TUE 評估精度——非零偏移和增益誤差

根據(jù)設計目標，可以使用絕對精度或相對精度定義來計算公式 3 中的“誤差”項。實踐中常用的更好選擇是 TUE 規(guī)范。可以使用增益、偏移和 INL 誤差的最大值的和方根 (RSS) 來計算最大 TUE。這可以在下面的等式中看到：

RSS方法基于誤差項不相關的假設，因此所有誤差項同時處于最大值的概率很小。例如，使用這種方法，我們可以假設對于 12 位 ADC，我們有：

INL = 3 LSB

偏移誤差 = 2.5 LSB

增益誤差 = 3 LSB

假設應用于 ADC 的模擬輸入可以在 ADC 的整個輸入范圍內取值，我們可以將總誤差估算為：

等式 4。

現(xiàn)在，應用等式 3，我們得到：

我們有時將公式 3 得到的精度稱為“精度的有效位數(shù)”。如果我們應用校準來抵消偏移和增益誤差，我們將只剩下 INL 誤差。請注意，為了使用 TUE 方程，所有誤差項都應以相同的單位（上例中的 LSB）表示。

實際上，ADC 只是誤差源之一。其他幾個組件（例如輸入驅動器、電壓基準等）可能會增加額外的誤差，因此必須加以考慮。

彩蛋來了

從基礎到高級的ADC講座，將涵蓋高速ADC設計的原理、傳統(tǒng)架構和最先進的設計。第一部分首先回顧了ADC的基本知識，包括采樣、開關電容和量化理論。接下來，介紹了經(jīng)典ADC架構的基礎和設計實例，如閃存、SAR和流水線ADC。然后，本教程將對混合型ADC架構進行總體概述，這就結束了第一部分。在第二部分，首先描述了ADC的度量。然后，介紹混合或非混合架構的各種先進設計。該教程最后將以數(shù)字輔助解決技術結束。

　　審核編輯：湯梓紅