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分析信号链中累积直流误差最详尽的方法

通信网络 | 发布时间:2018-06-25 | 人气: | #评论# | 本文关键字:差分放大器,滤波,电容,多路复用
摘要:在信号链中,可能会累积的误差有两类——即直流和交流误差。 直流或静态误差(如增益和失调误差)有助于了解信号链的精度或灵敏度; 交流类误差也称为噪声和失真,限制着系统的性 能

在信号链中,可能会累积的误差有两类——即直流和交流误差。 直流或静态误差(如增益和失调误差)有助于了解信号链的精度或灵敏度; 交流类误差也称为噪声和失真,限制着系统的性 能和动态范围。这两类误差都需要了解,因为二者最终决定着系统的分辨率。本文将专门分析直流误差,根据其与无源和有源器件的关系, 对每种不精确性进行细分。

分析误差前,先对信号链分个级

图 1 是一种可以达到 0.1% 精度要求的简单数据采集系统,也就是说,每输入 1V 的电压,输出要么为 0.99388V,要么为 1.00612V。因此,转换器规定的动态范围为 60dB 或 9.67ENOB,假设其满量程电压为 10 V。转换器有两个放大器级、一个多路复用器和一个 ADC。本分析将忽略传感器、电缆、连接器、PCB 寄生电容和任何外部影响/误差,因为这些情况在很大程度上取决于我们要测量的具体应用或信号。

此简单数据采集信号链系统的设计精度为0.1%

图1. 此简单数据采集信号链系统的设计精度为0.1%。

为了给各误差提供参考,应将分析的各级细分成各个部分。我们将数据采集信号链分为四个级——

第一级,一个简单的差分放大器 (图2)。该放大器的增益为 4×,输入阻抗为 500 Ω。设置电容是为了进行可选的滤波处理。

差分放大器为数据采集信号链的第一级

图2. 差分放大器为数据采集信号链的第一级。

 第二级,将放大器的输出信号施加到多路复用器的 8 个输入端 (图3)。每个输入以一个阻尼电阻 (RO) 进行缓冲,以减少多路复用器通道切换导致的电荷反冲。根据多路复用器数据手册规定的技术规格,每个通道的内部会设有一些寄生电容或额定 RO。

此 8:1 多路复用器有 8 个缓冲输入

图3. 此 8:1 多路复用器有 8 个缓冲输入。

第三级,将结果形成的通道信号施加到单位增益缓冲级放大器 (图4)。使用电阻是为了减少输入偏置电流不平衡。

将一个通道信号施加到这类缓冲放大器

图 4. 将一个通道信号施加到这类缓冲放大器。

 第四级,将经过缓冲的信号施加到 12 位、1 MSPS ADC,在此,信号最终进 入数字域 (图5)。使用串行电阻是为了缓冲或抑制放大器与转换器之间的信号,加大这两个器件之间的电阻。结果会减少从转换器反冲到放大器的电荷,非常像多路复用器。这也有助于放大器输出建立,并防止其发生振荡。

信号缓冲后将被施加到 12位、1 MSPS ADC

图5. 信号缓冲后将被施加到 12位、1 MSPS ADC。

电容提供了一个简单的低通抗混叠滤波器 (AAF),用以衰减目标频带之外的信号和噪声。AAF 的设计在很大程度上取决于系统的设计和应用。最后,上拉和下拉二极管可增添输入保护功能,可防止有可能被施加到转换器输入端的极端过载信号导致的任何故障状况。接下来,我们将基于这里讨论的各个信号链级,考察无源误差和有源误差。

直流无源误差

所有无源组件都有误差与其相关,尤其是电阻。表面上看,电阻似乎是比较简单的器件,但实际上,如果其规格不符合设计要求,则在整个信号链中都有可能导致误差。这里不会讨论如何选择正确的电阻类型及其构成。但要记住,根据具体的应用,有些电阻类型可能比其他更合适。阻性直流误差源于不理想的电阻容差。简单地指定容差值是不够的。然而,对电阻误差容差过分挑剔也可能产生不利影响,使得分析过于复杂。在为给定的信号链指定电阻类型时,至少要注意四个至关重要的技术规格:

  1. 值容差,单位通常为%。

  2. 温度系数或漂移,单位通常为ppm/°C。

  3. 寿命漂移或合格性,通常以指定小时数内的%为单位(通常为1000)。

  4. 值容差比,当网络中或同一封装中有两个或以上的电阻且值匹配时,值容差以%为单位。

为了说明电阻误差是如何累积起来的 (图6),我们来看看下面这个例子:假设有一个 100 Ω 的电阻,其值容差为 1%,温度漂移为 100 ppm/°C,寿命容差为 5%,则在 5000 小时的寿命周期内,在 85°C 的温度范围内,其电阻为 93.15 Ω 至 106.85 Ω:

此图所示为一个电阻误差模型

图6. 此图所示为一个电阻误差模型。

总容差(RVALUE + RTOL + RCOEFF + RLIFE) = (RVALUE + ((RTOL/100) × RVALUE)+ (((RCOEFF × 0.000001) ×温度范围) ×RVALUE) + ((RLIFE/100) × RVALUE))= 94 Ω 至106 Ω.来之不易的信息边注

有些组件的寿命周期只有1000小时,但设计的要求可能要长得多,比如,10,000小时。为了解决这个问题,不要将1000小时乘以8.77 (8766小时/年);这样做太过悲 观了。任何精密模拟电路中的长期漂移都会有一定的“随机游动”量。正确的做法是用此数值的平方根,即 √8.766= ~3再乘以1000小时。因此,10,000小时的寿命周期为: √10.000= 3.16 × 1000小时,如此等等。

需要注意的是,电容和电感也有误差。但这些误差通常可以忽略不计,在这类直流分析里并无多大的价值。另外,这些器件实际上是无功器件,对滤波和带宽容差的影响最大,本文的直流分析里同样没有考虑这一点。

直流有源误差

图1 所描述的信号链采用了最普通的构建模块,这是数据采集系统的一种实现方法。该信号链由两个放大器、一个多路复用器和一个 ADC 构成。但要记住的是,有许多类型的有源器件都描述了各类信号链和不同的系统拓扑结构。在实施这类分析时,所有有源器件都会有某些类型的直流误差。为了了解要设计的系统的精度,必须决定要考虑哪些误差,这一点十分重要。

基本而言,直流精度中涉及两类/组误差。对所有这些有源器件来说,这些误差既有个别性,也有普遍性。单个有源器件误差只会显示相对于该器件的已知直流误差。这类误差可以在相应的数据手册里找到。例如,放大器的输入失调电压会被认为属于个别误差,因为此误差只是该有源器件特有的误差。

全局误差是信号链或系统中各个有源器件均存在的等量误差,但根据有源器件各自性能的不同,会表现出不同的误差 (图7)。全局误差的一个例子是总线电源和温度的电压调整率误差。接下来,我们逐一分解信号链中所示三个有源器件的这些误差。

有源器件受两类直流精度误差的影响—个别误差和全局误差

图7. 有源器件受两类直流精度误差的影响—个别误差和全局误差。

众所周知,放大器还远远没有达到理想水平。它们有许多误差,一般都列示于数据手册当中。失调电压和偏置电流是两种常见的误差,但同时也要考虑任何漂移误差、长期误差和隔离误差(如电源抑制比(PSRR))。表1列出了在使用放大器时应考虑的下列误差。

表1. 放大器的各种误差

多路复用器的误差一般少于放大器。在各种多路复用器直流误差中,导通电阻和通道隔离是影响最大的误差。表 2 列出了在使用多路复用器时应考虑的误差。

表2. 多路复用器的各种误差

失调、增益和 DNL 都是众所周知且较好理解的误差。同时还要包括PSRR。在使用第一部分提到的 ADC 时,应该考虑下列转换器误差:

  • 相对精度DNL,定义为±0.5 LSBs。

  • 相对精度温度系数DNL温度系数,通常包含在数据手册的相对精度规格中。

  • 增益温度系数误差,为±2.5 LSB (数据来源于上文示例)。

  • 失调温度系数误差,为±1.3 LSB (数据来源于上文示例)。

  • 电源灵敏度,通常以第一奈奎斯特区内的低频PSRR表示;对于12位ADC而言,一般可表示为60 dB或±2 LSB。

为节省篇幅,我们在这里不会详细讨论这些误差是如何在有源器件内部产生的。所有这些误差均在大量论文和文章中有明确的定义和详细的描述。在此需要注意的是,必须考虑所有这些基本误差,确保分析确实可靠,能达到系统精度目标规格的要求。

上面就个别有源器件的误差提出了建议并给出了其定义,接下来,应该考虑全局误差,这类误差会对整个信号链产生影响 (表3)。在这个简单的示例中,只会将温度和电压调整率作为全局误差进行分析。然而,同时还有必要考虑特定应用或设计内在的任何其他外部影响因素。

责任编辑:直流误差
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