ADC的不均匀特性主要取决于两个方面

上周，我把家里的地毯换成了木制地板。在移除客厅楼梯的地毯后，我注意到原本“一致”的楼梯台阶的进深宽度其实很不均匀。对此，我感到非常惊奇，因为这么多年来我上上下下却从未注意到台阶是不均匀的。这是因为地毯绝妙地掩盖了这个问题。

以我书呆子式的思维方式，这件让我不禁想到了高分辨率 SAR 模数转换器 （ADC） 的问题。我原本以为我家的楼梯是均匀的，就像具有完美对称的量化步进的无噪声 ADC 的理想转换函数一样。图 1 显示了 3 位 ADC 的实例情况。

这再次让我这个书呆子开动脑筋思考，我家里不太完美的楼梯在尺寸上是非线性的（图 2），这与 ADC 代码转换永远不会完全均匀的情况非常类似。ADC 的这种不均匀特性主要取决于两个方面，即微分非线性 （DNL） 误差和积分非线性 （INL） 误差。这两种误差都是由 ADC 内部电容与电阻的内在不匹配性造成的。

此外，楼梯地毯的作用就像一层被添加到（和重叠到）ADC 转换函数上的 DC“转换噪声”（图 3）。这种噪声来自包括参考源等在内的 ADC 内部电路系统。该噪声底限能够隐藏 ADC 台阶响应的真实非线性形状。

就像家里的楼梯一样，这个信息在 ADC 产品说明书中也不明显。不过，ADC 规范表列出了噪声功率的典型值，即“转换噪声”的均方根值。

另外还可在产品说明书“典型曲线”部分中的 DC 直方图中查找到该值。输出代码的分布情况代表了转换噪声的峰至峰值，该值通常情况下均等于很小的 LSB。图 4 以 ADS8881（18 位 SAR ADC）为例对此进行了阐述。

如果使用 DNL/INL 对楼梯的“不均匀性”进行定量，情况会怎样？有时很难理解，如何测量 DNL/INL 才能达到比峰至峰转换噪声更高的精度水平，而且还要确保实现。

以 ADS8881（图 5）为例。当因转换噪声问题导致 ADC 输出信号出现高达 +5LSB 的误差时，我们怎样才能显示 1.5LSB 的 DNLMAX 规范值？换言之，在楼梯铺上地毯时，我们怎样才能看到它的不均匀性？

其实，我已经给出了答案，那就是移除地毯！与此类似，要想测量高分辨率 ADC 的真实线性 （INL/DNL） 度，您需要首先消除 dc 转换噪声，然后观察下面的噪声底限。

在 ADC 域，平均值法是消除 ADC 中噪声“地毯”的主要工具，用以测量正确的 INL/DNL，这是因为转换噪声具有白噪声特性。

为了求得平均值，大家首先需要应用来自非常稳定的参考源或数模转换器 （DAC） 输出端的已知电压，然后再执行多次采样和转换稳定输入电压，并对数字输出代码求平均值，从而确定出特定点的线性度。

如果您在阅读 ADC 产品说明书时感到一团糟，那么请花点时间理清思路，想想我所介绍的楼梯比喻。这样对 ADC 的非线性问题就会豁然开朗！

责任编辑：haq