失調與增益調整方法

問(wèn)：我想向你請教有關(guān)失調與增益調整問(wèn)題。

答：一般不用調整，除非你必須調整。有兩種方法供選擇：(1)使用好用的設備、 元器件和不需調整便能滿(mǎn)足要求的電路；(2)利用數字技術(shù)，對應用系統進(jìn)行軟件調整修正 。當你考慮到電路設計、溫度、振動(dòng)和壽命對性能和穩定性的影響時(shí)，有時(shí)使用調整電位器 (連接到待調整的器件上)可以調整掉由此產(chǎn)生的影響，當然還包括附加的技術(shù)處理和復雜的 調整要求。

問(wèn)：我大概明白了一些，那么請你詳細地說(shuō)一下我應該如何調整模擬電路中的失調 誤差和增益誤差?

答：按正常順序是先調整輸入端。如果你考慮到被調整電路的傳輸特性，那么通 常使用直接方法。線(xiàn)性模擬電路簡(jiǎn)化的理想傳輸特性(例如放大器、ADC或DAC)由下式給出：
OP=K×IP(1)
其中OP為輸出，IP為輸入，K為比例因子。應該注意的是，上述簡(jiǎn)化形式蘊含著(zhù)許多問(wèn) 題：ADC的量化誤差，當輸入和輸出形式不同(如輸入為電壓，輸出為電流)時(shí)K的量綱問(wèn)題， 故意偏置及其它問(wèn)題。在實(shí)際(非理想)電路中，折合到輸入端的失調誤差和增益誤差分別為OS和ΔK,從而上述 公式還可寫(xiě)成：
OP=(K+ΔK)×(IP+OS)(2)
OP=K×IP+K×OS+ΔK×IP+ΔK×OS(3)
方程(2)和(3)是不完整的，因為它們僅考慮了輸入失調，但這種情況最普 遍。后面將討論輸入失調與輸出失調獨立的系統。
從式(3)可以看出，當未知的失調出現時(shí)，直接調整增益是不合理的，必須首先調整失 調。設IP為零，調整失調使OP也為零。然后調整增益，當輸入接近滿(mǎn)度(FS) 時(shí)，調整增益使輸出符合式(1)。

問(wèn)：對于雙極性ADC和DAC應該如何調整?

答：許多ADC和DAC可在單極性和雙極性工作方式之間進(jìn)行切換，這種器件不論 用于何種場(chǎng)合都應在單極性方式下進(jìn)行失調和增益調整。即使轉換器不可能工作在單極性場(chǎng) 合，或者轉換器僅工作在雙極性的場(chǎng)合，或者在其它情況下都是如此。

可以把雙極性轉換器看作失調很大的單極性轉換器(確切地說(shuō)，失調為1 MSB，即滿(mǎn)度范 圍的一半)。根據所使用轉換器的結構，這種雙極性失調(BOS)不一定受增益調整的影響。如 果受到影響，那么公式(1)可寫(xiě)成：
OP=K×(IP-BOS)(4)
在這種情況下，其增益調到接近滿(mǎn)度FS(正滿(mǎn)度或負滿(mǎn)度均可，但通常調到正滿(mǎn)度) 之后，在模擬零點(diǎn)調整失調。對于雙極性失調，在DAC失調范圍內的情況下，這是一種常用 方法。
如果雙極性失調不受增益調整的影響，那么公式(1)可寫(xiě)成：
OP=K×IP-BOS(5)
在這種情況下，在負FS調整失調，而在正FS(或非常接近FS)調整增益。大多數ADC 都采用這種方法，而且DAC的雙極性失調使用運算放大器和外接電阻，也采用這種方法。當然，總是應該按照產(chǎn)品說(shuō)明中建議的方法進(jìn)行調整，但是如果產(chǎn)品說(shuō)明中沒(méi)有給出調 整方法，通常DAC應在模擬零點(diǎn)調整失調，而ADC應在負FS處調整失調或者ADC與DAC都在接近 正FS處調整失調。

問(wèn)：為什么你總強調“接近”FS?

答：放大器和DAC都在零點(diǎn)和FS處進(jìn)行調整。在DAC中，全“1”最大可能數字 輸入應該產(chǎn)生低于“滿(mǎn)度”1 LSB 的輸出，這里的“滿(mǎn)度”認為是某一常數乘以基準。因此 DAC的輸出是基準電壓與數字輸入的歸一化乘積。ADC不在零點(diǎn)和FS處調整。理想的ADC輸出是被量化的，而且第一個(gè)輸出變遷點(diǎn)(從00… 00到00…01)發(fā)生在全0標稱(chēng)值以上1/2 LSB。隨后相繼的變遷點(diǎn)均發(fā)生在模擬輸出每增加1 L SB處直至最后一個(gè)變遷點(diǎn)發(fā)生在FS以下1/2 LSB 處。非理想ADC的調整首先是將其輸入值設 置到要求變遷的標稱(chēng)值，然后調整ADC輸出直至使其輸出在變遷點(diǎn)對應的兩個(gè)數字量之間有 同樣的跳動(dòng)。因此，ADC的失調應在輸入對應第一個(gè)變遷點(diǎn)(即零點(diǎn)或-FS以上1/2 LSB，它“接近” 零點(diǎn)或“接近”-FS)，而增益則應在最后一個(gè)變遷點(diǎn)(即正+FS以下1 1/2 LSB，它“接近”+ FS)。這種方法雖然在失調調整過(guò)程中，在增益誤差和失調誤差之間會(huì )產(chǎn)生一定的相互影響 ，但是小得微不足道。

問(wèn)：要求在“接近”FS而又不在FS處進(jìn)行調整，還會(huì )帶來(lái)其它異常后果碼 ?
答：同步電壓頻率轉換器(SVFC)當其輸出頻率和諧地與其時(shí)鐘頻率相關(guān)時(shí)，即 其輸出頻率非常接近時(shí)鐘頻率的1/2，1/3或1/4時(shí)，容易出現注入鎖相(injection locking) 現象。SVFC的FS等于1/2時(shí)鐘頻率。在這種情況下進(jìn)行調整時(shí)會(huì )使問(wèn)題惡化。因此建議SVFC 的增益調整應在FS的95% 附近。
問(wèn)：“輸入”和“輸出”失調調整對電路有什么要求?
答：像儀表放大器和隔離放大器這種電路通常都有兩級直流增益，而且輸入級 增益是可變的。所以?xún)杉壏糯笃骶哂休斎胧д{IOS、輸出失調OOS，第一級增益K和輸出級單 位增益，在零輸入時(shí)輸出OP為：
OP=OOS+K×IOS(6)
由式(6)顯然可以看出，如果增益恒定，我們僅調整IOS或OOS使總失調為零(另外， 如果輸入 級采用長(cháng)尾對雙極型晶體管，當對IOS和OOS都進(jìn)行調整時(shí)會(huì )得到更好的失調溫度系數；但對 于長(cháng)尾對FET則不必調整)。如果第一級增益改變，那么IOS與OOS失調都得重新調整。
IOS與OOS是一種反復調整的過(guò)程。在零輸入時(shí)，增益設置到最大，調整IOS 直至輸出為零。然后增益減到最小，再調整OOS直到輸出也為零。重復上述IOS與OOS調整 過(guò)程直至無(wú)需進(jìn)一步調整為止。在IOS與OOS都未調整到零之前不應調整增益。在失調調整過(guò) 程中對于實(shí)際增益數值的高或低并不重要。

問(wèn)：對于增益和失調調整應該采用什么樣的電路?
答：許多放大器(即少數轉換器)都有調整增益和失調的端子，但也有許多器件沒(méi)有。失調調整通常在兩個(gè)指定調整端之間接一個(gè)電位器，其滑動(dòng)端(有時(shí)經(jīng)過(guò)一只電阻)接 到電源的一端。正確的接線(xiàn)及選用元件的數值請見(jiàn)所用器件的產(chǎn)品說(shuō)明。運算放大器失調調 整中最常見(jiàn)的一個(gè)差別就是校正電位器的偏移值不同以及應該連接的電源電壓不同。

在沒(méi)有提供單獨的失調調整端子的情況下，一般對輸入信號端加一個(gè)恒定的失調調整量 。有兩種基本失調調整方法，如圖111(a)和111(b)所示。當系統使用差 分輸入運算放大 器作為反相器(最常見(jiàn))的情況下，使用圖111(a)所示的方法對器件失調而 不是對系統失調 作修正最合適。在單端輸入方式中，方法111(b)用來(lái)對系統失調進(jìn)行調整 ，但對于失調很小的器件，應該盡量 避 免使用這種方法，因為常需要(與信號輸入電阻相比)很大阻值的求和電阻，目的在于：(1) 避免求和點(diǎn)輸入信號過(guò)大；(2)保持適當的比例修正電壓并且把差分電源電壓漂移的影響衰 減到最小。另外在兩個(gè)電源與電位器之間連接一個(gè)電阻，常常有助于增加調整分辨率和減小 功耗。

圖111 兩種失調調整方法