计算集成斩波放大器的ADC转换器的失调误差和输入阻抗

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模拟数字转换器即A/D转换器,或简称ADC,通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义,仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准,比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。

典型DPD应用

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。

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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。

平均电流值

一般来说,数据手册不提供电流当前峰值,因为难以测量,也没有添加任何有意义的信息。由于缓冲器的斩波频率高于ADC的输入信号带宽,因此该信息是没有意义的。因此,输入引脚上添加的低通滤波器(用于消除高于奈奎斯特频率的频率或信号音,或降低耦合噪声)会对峰值电流取平均值,如图2所示。

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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。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。

输入电流与输入阻抗的关系

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。

有两个规格与输入偏置电流相关:绝对电流和差分电流。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。

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。如图3所示,产生的失调电压一般为:

 

转换器

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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。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。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:

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其中,VADC为ADC输入电压。

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图4. 差分输入ADC

如果电阻不是完全匹配,则在差分输入电流贡献之外,电阻不匹配也会产生一个误差。一般而言,假设电阻容差为1%,那么最差情况下的失调电压定义如下:

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对于伪差分/单端输入信号,有两种情况:

一个模拟输入连接到低阻抗源(参见图5)。误差定义为:

 

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图5. 伪差分/单端ADC

 两个输入均连接到高阻抗源(参见图6)。误差与使用真差分信号的情况相同。

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图6. 伪差分ADC

交流误差

交流分量与输入阻抗规格直接相关。输入阻抗可以是阻性或容性。若输入阻抗为容性,则给定频率下的阻抗计算如下:

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其中:

Zc为输入阻抗。
CIN为数据手册给出的输入电容。
fIN为输入频率。举个例子,假设有8 pF电容和1 kHz输入带宽,则最小输入阻抗约为20 MΩ。

误差最小化

为使低通滤波器中电阻不匹配引起的误差最小,最好使用小电阻和大电容,因为电阻产生的失调和约翰逊噪声较低。

 

 

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