理解ADC誤差對系統(tǒng)性能的影響(二)
有很多原因促使制造商沒有給出最大界限。其中之一便是成本的增加。漂移測試需要特殊的平臺,并且還要在測試流程中增加額外的工序(這將導致額外的制造成本),以確保所有器件不超出最大漂移界限。
增益漂移的問題更多,尤其是對于那些采用內(nèi)部基準的器件。這時候,基準的漂移可以一并包含于增益漂移參數(shù)中。當采用外部基準時,IC的增益漂移一般比較小,比如0.8ppm/°C。這樣,±10°C的溫度變化將會造成±8ppm的漂移。舉例來講,12位性能等價于244ppm (1/4096 = 0.0244% = 244ppm)。因此,±8ppm的漂移所造成的誤差遠低于12位系統(tǒng)中的一個LSB。
交流特性
有些ADC只在輸入信號接近于直流時能很好地工作。另外一些則能很好地處理從直流到Nyquist特頻率的信號。僅有DNL和INL符合系統(tǒng)要求并不能說明轉換器能夠同樣合格地處理交流信號。DNL和INL是在直流測試的。要掌握其交流性能就必須了解交流指標。在產(chǎn)品規(guī)格書中有電氣參數(shù)表和典型工作特性,從中你可以找到有關交流性能的線索。需要考察的關鍵指標有信號–噪聲比(SNR),信號–噪聲加失真比(SINAD),總諧波失真(THD),以及無雜散動態(tài)范圍(SFDR)。首先我們來看一看SINAD或SNR。SINAD定義為輸入正弦波信號的RMS值與轉換器噪聲的RMS值(從直流到Nyquist特頻率,包括諧波[總諧波波失真]成分)。諧波發(fā)生于輸入頻率的倍數(shù)位(圖9)。SNR類似于SINAD,只是它不包含諧波成分。因此,SNR總是好于SINAD。SINAD和SNR一般以dB為單位。
其中N是轉換器的位數(shù)。對于理想的12位轉換器,SINAD為74dB。這個方程可重寫為N的表達式,新的表達式揭示了能夠獲得的信息的位數(shù)與RMS噪聲的函數(shù)關系:
這個方程就是等效位數(shù)的定義,即ENOB。
圖9. FFT圖顯示出ADC的交流性能
值得注意的是SINAD和輸入頻率有關。隨著頻率向Nyquist上限逼近,SINAD逐漸下降。如果規(guī)格書中的指標是在相對于Nyquist頻率較低的頻率下測得,在接近Nyquist頻率時性能有可能變得很差。在規(guī)格書中的典型工作特性中可以找到ENOB曲線,可以觀察到隨著頻率的增加ENOB下降,主要是由于隨著輸入頻率的增加THD逐漸變差。例如,如果在感興趣的頻率SINAD的最小值為68dB,那么你可獲得的ENOB值為11。也就是說,由于轉換器的噪聲和失真,你丟失了1位信息。這也意味著你的12位轉換器最多只能達到0.05%的精度。記住INL是一項直流指標;ENOB是一項有關轉換器對于交流信號的非線性性能指標。
SNR是不考慮失真成分的信號–噪聲比。SNR反映了轉換器的噪聲背景。隨著輸入頻率的增加SNR可能會急劇下降,這說明該轉換器不是為該頻率的應用而設計。改善SNR的一個辦法是過采樣,這種方法提供了一定的處理增益。過采樣以遠高于信號頻率的速度進行采樣,以此來降低轉換器的噪聲背景。這種方法將噪聲譜擴展到更寬的頻域內(nèi),這樣就有效降低了一定頻段內(nèi)的噪聲。兩倍率的過采樣可將噪聲背景降低3dB。
SFDR定義為FFT圖中,頻域內(nèi)輸入正弦波的RMS值與最高的雜散信號的RMS值之比,一般以dB為單位。對于某些要求ADC動態(tài)范圍盡可能大的通信應用,SFDR尤為重要。雜散信號妨礙了ADC對于小輸入信號的轉換,因為失真信號可能會比有用信號大很多。這就限制了ADC的動態(tài)范圍。頻域內(nèi)出現(xiàn)一個大的雜散信號可能對SNR不會有明顯影響,但會顯著影響SFDR。
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