計算集成斬波放大器的ADC失調誤差和輸入阻抗

典型DPD應用模數轉換器(ADC)中集成的緩沖器和放大器通常是斬波型。有關(guān)這種斬波實(shí)現的例子，可參見(jiàn)AD7124-8 和AD7779數據手冊。需要這種斬波技術(shù)來(lái)最大程度地降低放大器的失調和閃爍噪聲(1/f )，因為與其他工藝(如雙極性工藝)相比，CMOS晶體管噪聲高，難以匹配。通過(guò)斬波，放大器的1/f和失調轉換到較高頻率，如圖1所示。

圖1. 閃爍噪聲(1/f )與斬波

在斬波轉換過(guò)程中，開(kāi)關(guān)的電荷注入會(huì )引起電流尖峰，進(jìn)而使施加于A(yíng)DC輸入端的電壓產(chǎn)生方向不定(流入和/或流出)的下降或尖峰。壓降與連接到ADC輸入段的傳感器的輸出阻抗成比例。

平均電流值一般而言，數據手冊不會(huì )提供電流峰值，因為它難以測量，而且不會(huì )增加任何有意義的信息。該信息之所以無(wú)意義，是因為緩沖器的斬波頻率高于A(yíng)DC的輸入信號帶寬。因此，輸入引腳上添加的低通濾波器(用來(lái)消除高于奈奎斯特頻率的頻率或信號音，或用來(lái)降低耦合噪聲)會(huì )對峰值電流進(jìn)行平均，如圖2所示。

圖2. 輸入電流與時(shí)間的關(guān)系

用電流表測量輸入電流，一端連接到VDD/2，另一端連接到ADC的模擬輸入引腳。

如果電流表連接到其中一個(gè)電壓軌，由于輸入電壓裕量的關(guān)系，測得的電流可能高于數據手冊中的規格值。

輸入電流與輸入阻抗的關(guān)系

輸入阻抗規格對精確計算直流誤差沒(méi)有幫助，因為與ADC內部輸入阻抗引起的負載效應相比，輸入偏置電流是最主要的貢獻因素。

有兩個(gè)規格與輸入偏置電流相關(guān)：絕對電流和差分電流。絕對值(I _ABSOLUTE )是在任意模擬輸入引腳測得的輸入電流。差分輸入電流(I _DIFFERENTIAL )是在模擬輸入引腳對之間測得的電流差。這僅適用于差分輸入ADC。

如何計算直流誤差

輸入電流產(chǎn)生一個(gè)失調電壓(V _OFFSET )，后者與連接到輸入引腳的阻抗直接相關(guān)。

如圖3所示，產(chǎn)生的失調電壓一般為：

圖3. 漏電流引起的壓降

如果用運算放大器等低阻抗源驅動(dòng)模擬輸入引腳，誤差將不很明顯。

ADC測得的誤差取決于施加的輸入信號類(lèi)型，例如是真差分輸入信號還是偽差分/單端輸入信號。

對于真差分輸入信號，假設輸入電阻(R)完全匹配，那么ADC測得的誤差將是由模擬輸入引腳對之間的差分輸入電流引起，如下式所示：

其中，V _ADC 為ADC輸入電壓。

圖4. 差分輸入ADC

如果電阻不是完全匹配，則在差分輸入電流貢獻之外，電阻不匹配也會(huì )產(chǎn)生一個(gè)誤差。

一般而言，假設電阻容差為1%，那么最差情況下的失調電壓定義如下：

對于偽差分/單端輸入信號，有兩種情況：

• 一個(gè)模擬輸入連接到低阻抗源(參見(jiàn)圖5)。誤差定義為：

圖5. 偽差分/單端ADC

• 兩個(gè)輸入均連接到高阻抗源(參見(jiàn)圖6)。誤差與使用真差分信號的情況相同。

圖6. 偽差分ADC

交流誤差

交流分量與輸入阻抗規格直接相關(guān)。輸入阻抗可以是阻性或容性。若輸入阻抗為容性，則給定頻率下的阻抗計算如下：

其中：

Z _c 為輸入阻抗。

C _IN 為數據手冊給出的輸入電容。

f _IN 為輸入頻率。

舉個(gè)例子，假設有8  pF電容和1  kHz輸入帶寬，則最小輸入阻抗約為20 MΩ。

誤差最小化

為使低通濾波器中電阻不匹配引起的誤差最小，最好使用小電阻和大電容，因為電阻產(chǎn)生的失調和約翰遜噪聲較低。