ADC偏移误差与输入电压之间的关系

Vinay Agarwal

在第一篇ADC精度帖子中，我们确定了模数转换器 （ADC） 的分辨率和精度间的差异。现在我们深入研究一下对ADC总精度产生影响的因素，通常是指总不可调整误差 （TUE）。

曾经想到过ADC的TUE技术规格中的“总”代表什么吗？他是不是简单到将ADC数据表的所有DC误差技术规格（即偏移电压，增益误差，INL）相加，还是要更复杂一些？事实上，TUE是总系统误差相对于ADC工作输入范围的比率。

更确切地说，TUE是单位为最低有效位 （LSB） 的DC误差技术规格。最低有效位 （LSB） 代表ADC的实际和理想传递函数之间的最大偏离。这个技术规格假定未执行系统级校准。在概念上，TUE是ADC运行方式中以下非理想类型数值的组合：

偏移误差 （VOS）：如图1所示，ADC实际和理想传递曲线间的恒定差异。这个值是测得的将ADC输入短接至地而获得的数字输出。

图1. ADC偏移误差与输入电压之间的关系

增益误差：ADC输出的实际和理想斜率之间的差异。他通常表示为满量程输出码上的ADC范围或最大误差的比率。如图2中所示，增益误差的绝对值在模拟输入接近满量程值时增加。

图2. ADC增益误差与输入电压之间的关系

积分非线性 （INL）：实际ADC传递曲线到理想直线运行方式的最大非线性偏离。ADC的INL响应没有一定的形状，并且取决于内部电路架构，以及由前端信号调节电路导致的失真。

图3. ADC INL误差与输入电压之间的关系

大多数ADC数据表指定所有上述DC误差的典型值和最大值，但是未指定TUE这方面的数值。计算TUE的最大值可不像将所有单独的DC误差最大值加在一起那么简单。这是因为所有这些误差是不相关的，并且在出现最差偏移的情况下，增益和线性误差也许不全都出现在ADC传递函数的同一个输入电压上。因此，误差的简单求和也许使系统精度看起来未必那么差。这在应用的动态范围被限制在传递函数的中间时更是如此。

在这典型数据采集系统中，与ADC在一起的还有一个输入驱动器和一个电压基准，他们也会影响总体偏移和增益误差。因此，在大多数没有校准的系统中，偏移和增益误差决定了计算TUE最大值时用到的INL。计算特定模拟输入电压上的最大TUE的推荐方法是，那一点上所有单个误差最大值的和方根，（方程式1）。将所有这些误差转换为同样的单位很重要，通常转换为LSB。

方程式1生成一个针对TUE的典型“蝴蝶结”形状的误差图。对于具有较高偏移误差的系统，“蝴蝶结”图有一个更厚的结（图4A）。相反，对于增益误差较高的系统，“蝴蝶结”的结变薄，而弓形变厚（图4B）。

图4.“蝴蝶结”形状的ADC TUE与输入电压间的关系

总的来说，由于误差取决于ADC工作时的输入电压范围，所以没有计算ADC最大TUE的确定公式。如果系统不要求采用整个ADC输入范围，你可以通过使ADC远离其传递函数的端点运行来大大减少TUE。

审核编辑：彭菁