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如何计算集成斩波放大器的ADC转换器的失调误差和输入阻抗

2016-06-20 Miguel Usach 阅读:
模数转换器(ADC)中集成的缓冲器和放大器通常是斩波型。因为与其他工艺(如双极性工艺)相比,CMOS晶体管噪声高,难以匹配。这种斩波技术可以用来最大程度地降低放大器的失调和闪烁噪声(1/f)。在斩波转换过程中,开关的电荷注入会引起电流尖峰,进而使施加于ADC输入端的电压产生方向不定(流入和/或流出)的下降或尖峰。压降与连接到ADC输入段的传感器的输出阻抗成比例。

简介

模数转换器(ADC)中集成的缓冲器和放大器通常是斩波型。有关这种斩波实现的例子,可参见AD7124-8 和AD7779数据手册。需要这种斩波技术来最大程度地降低放大器的失调和闪烁噪声(1/f),因为与其他工艺(如双极性工艺)相比,CMOS晶体管噪声高,难以匹配。通过斩波,放大器的1/f和失调转换到较高频率,如图1所示。1aNednc

2016JUN20_AP-PA_ANALOG_TA_01.jpg1aNednc

                                   图1.闪烁噪声(1/f)与斩波

在斩波转换过程中,开关的电荷注入会引起电流尖峰,进而使施加于ADC输入端的电压产生方向不定(流入和/或流出)的下降或尖峰。压降与连接到ADC输入段的传感器的输出阻抗成比例。1aNednc

平均电流值

一般而言,数据手册不会提供电流峰值,因为它难以测量,而且不会增加任何有意义的信息。该信息之所以无意义,是因为缓冲器的斩波频率高于ADC的输入信号带宽。因此,输入引脚上添加的低通滤波器(用来消除高于奈奎斯特频率的频率或信号音,或用来降低耦合噪声)会对峰值电流进行平均,如图2所示。1aNednc

2016JUN20_AP-PA_ANALOG_TA_02.jpg1aNednc

                                    图2.输入电流与时间的关系

用电流表测量输入电流,一端连接到VDD/2,另一端连接到ADC的模拟输入引脚。1aNednc

如果电流表连接到其中一个电压轨,由于输入电压裕量的关系,测得的电流可能高于数据手册中的规格值。1aNednc

输入电流与输入阻抗的关系1aNednc

输入阻抗规格对精确计算直流误差没有帮助,因为与ADC内部输入阻抗引起的负载效应相比,输入偏置电流是最主要的贡献因素。1aNednc

有两个规格与输入偏置电流相关:绝对电流和差分电流。1aNednc

绝对值(IABSOLUTE)是在任意模拟输入引脚测得的输入电流。差分输入电流(IDIFFERENTIAL)是在模拟输入引脚对之间测得的电流差。这仅适用于差分输入ADC。1aNednc

如何计算直流误差

输入电流产生一个失调电压(VOFFSET),后者与连接到输入引脚的阻抗直接相关。1aNednc

如图3所示,产生的失调电压一般为:1aNednc

2016JUN20_AP-PA_ANALOG_TA_03.jpg1aNednc

                                    图3.漏电流引起的压降

如果用运算放大器等低阻抗源驱动模拟输入引脚,误差将不很明显。1aNednc

ADC测得的误差取决于施加的输入信号类型,例如是真差分输入信号还是伪差分/单端输入信号。1aNednc

对于真差分输入信号,假设输入电阻(R)完全匹配,那么ADC测得的误差将是由模拟输入引脚对之间的差分输入电流引起,如下式所示:1aNednc

VADC = V ± IDIFFERENTIAL × R1aNednc

VADC = V ± IDIFFERENTIAL × R1aNednc

其中,VADC为ADC输入电压。1aNednc

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