上周，我把家里的地毯換成了木制地板。在移除客廳樓梯的地毯后，我注意到原本“一致”的樓梯臺(tái)階的進(jìn)深寬度其實(shí)很不均勻。對(duì)此，我感到非常驚奇，因?yàn)檫@么多年來(lái)我上上下下卻從未注意到臺(tái)階是不均勻的。這是因?yàn)榈靥航^妙地掩蓋了這個(gè)問(wèn)題。

以我書(shū)呆子式的思維方式，這件讓我不禁想到了高分辨率 SAR 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 的問(wèn)題。我原本以為我家的樓梯是均勻的，就像具有完美對(duì)稱的量化步進(jìn)的無(wú)噪聲 ADC 的理想轉(zhuǎn)換函數(shù)一樣。圖 1 顯示了 3 位 ADC 的實(shí)例情況。

這再次讓我這個(gè)書(shū)呆子開(kāi)動(dòng)腦筋思考，我家里不太完美的樓梯在尺寸上是非線性的（圖 2），這與 ADC 代碼轉(zhuǎn)換永遠(yuǎn)不會(huì)完全均勻的情況非常類似。ADC 的這種不均勻特性主要取決于兩個(gè)方面，即微分非線性 （DNL） 誤差和積分非線性 （INL） 誤差。這兩種誤差都是由 ADC 內(nèi)部電容與電阻的內(nèi)在不匹配性造成的。

此外，樓梯地毯的作用就像一層被添加到（和重疊到）ADC 轉(zhuǎn)換函數(shù)上的 DC“轉(zhuǎn)換噪聲”（圖 3）。這種噪聲來(lái)自包括參考源等在內(nèi)的 ADC 內(nèi)部電路系統(tǒng)。該噪聲底限能夠隱藏 ADC 臺(tái)階響應(yīng)的真實(shí)非線性形狀。

就像家里的樓梯一樣，這個(gè)信息在 ADC 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中也不明顯。不過(guò)，ADC 規(guī)范表列出了噪聲功率的典型值，即“轉(zhuǎn)換噪聲”的均方根值。

另外還可在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)“典型曲線”部分中的 DC 直方圖中查找到該值。輸出代碼的分布情況代表了轉(zhuǎn)換噪聲的峰至峰值，該值通常情況下均等于很小的 LSB。圖 4 以 ADS8881（18 位 SAR ADC）為例對(duì)此進(jìn)行了闡述。

如果使用 DNL/INL 對(duì)樓梯的“不均勻性”進(jìn)行定量，情況會(huì)怎樣？有時(shí)很難理解，如何測(cè)量 DNL/INL 才能達(dá)到比峰至峰轉(zhuǎn)換噪聲更高的精度水平，而且還要確保實(shí)現(xiàn)。

以 ADS8881（圖 5）為例。當(dāng)因轉(zhuǎn)換噪聲問(wèn)題導(dǎo)致 ADC 輸出信號(hào)出現(xiàn)高達(dá) +5LSB 的誤差時(shí)，我們?cè)鯓硬拍茱@示 1.5LSB 的 DNLMAX 規(guī)范值？換言之，在樓梯鋪上地毯時(shí)，我們?cè)鯓硬拍芸吹剿牟痪鶆蛐裕?/p>

其實(shí)，我已經(jīng)給出了答案，那就是移除地毯！與此類似，要想測(cè)量高分辨率 ADC 的真實(shí)線性 （INL/DNL） 度，您需要首先消除 dc 轉(zhuǎn)換噪聲，然后觀察下面的噪聲底限。

在 ADC 域，平均值法是消除 ADC 中噪聲“地毯”的主要工具，用以測(cè)量正確的 INL/DNL，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換噪聲具有白噪聲特性。

為了求得平均值，大家首先需要應(yīng)用來(lái)自非常穩(wěn)定的參考源或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 輸出端的已知電壓，然后再執(zhí)行多次采樣和轉(zhuǎn)換穩(wěn)定輸入電壓，并對(duì)數(shù)字輸出代碼求平均值，從而確定出特定點(diǎn)的線性度。

如果您在閱讀 ADC 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)時(shí)感到一團(tuán)糟，那么請(qǐng)花點(diǎn)時(shí)間理清思路，想想我所介紹的樓梯比喻。這樣對(duì) ADC 的非線性問(wèn)題就會(huì)豁然開(kāi)朗！

責(zé)任編輯：haq