如何計算集成斬波放大器的ADC轉換器的失調誤差和輸入阻抗

模數轉換器(ADC)中集成的緩衝器和放大器通常是斬波型。因為與其他工藝(如雙極性工藝)相比，CMOS電晶體噪聲高，難以匹配。這種斬波技術可以用來最大程度地降低放大器的失調和閃爍噪聲(1/f)。在斬波轉換過程中，開關的電荷注入會引起電流尖峰，進而使施加於ADC輸入端的電壓產生方向不定(流入和/或流出)的下降或尖峰。壓降與連接到ADC輸入段的傳感器的輸出阻抗成比例。

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簡介

模數轉換器(ADC)中集成的緩衝器和放大器通常是斬波型。有關這種斬波實現的例子，可參見AD7124-8 和AD7779數據手冊。需要這種斬波技術來最大程度地降低放大器的失調和閃爍噪聲(1/f)，因為與其他工藝(如雙極性工藝)相比，CMOS電晶體噪聲高，難以匹配。通過斬波，放大器的1/f和失調轉換到較高頻率，如圖1所示。

圖1.閃爍噪聲(1/f)與斬波

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

平均電流值

一般而言，數據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，是因為緩衝器的斬波頻率高於ADC的輸入信號帶寬。因此，輸入引腳上添加的低通濾波器(用來消除高於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係

用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，由於輸入電壓裕量的關係，測得的電流可能高於數據手冊中的規格值。

輸入電流與輸入阻抗的關係

輸入阻抗規格對精確計算直流誤差沒有幫助，因為與ADC內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。

有兩個規格與輸入偏置電流相關：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。這僅適用於差分輸入ADC。

如何計算直流誤差

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

如圖3所示，產生的失調電壓一般為：

圖3.漏電流引起的壓降

如果用運算放大器等低阻抗源驅動模擬輸入引腳，誤差將不很明顯。ADC測得的誤差取決於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。對於真差分輸入信號，假設輸入電阻(R)完全匹配，那麼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，電阻不匹配也會產生一個誤差。一般而言，假設電阻容差為1%，那麼最差情況下的失調電壓定義如下：

對於偽差分/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格直接相關。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為數據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，因為電阻產生的失調和詹森噪聲較低。