ADC基础知识_200703
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April 3, 2007 。 16
总不可调整误差
总不可调整误差(TUE)是一个综合的参数，包含了线性误差、增益误差和失调。它是对理想情况下器件性能的最坏 情况偏离。 TUE是一个静态参数。 你不会在所有的产品中发现这个参数的；只有当整体误差参数小于1或者2 LSB时，该参数才有意义。所以一般不会 在精度高于8-Bit的转换器的数据手册里找到该参数。 如果总不可调整误差远大于其他的误差参数，对每一个误差个别包含在单独数据表内是较合理的。否则，±1/2 LSB 线性和±3 LSB满度误差的器件可能被简单地归为一个“3 LSB”部分，用户可能不知道在需要线性而不是满刻 度精确性的应用场合该器件具有极佳的性能。
April 3, 2007 。 22
输入动态范围
动态范围为可分辨的最大与最小信号之比。不要与非杂散动态范围(SFDR)相混淆。
精度(Bits) 6 8 10 12 14 16 18 20
April 3, 2007 。
动态范围(Bit) 36.0 48.1 60.2 72.2 84.3 96.3 108.4 120.4
April 3, 2007
。
3
ADC做了些什么？
对于一个3-bit ADC，有8种可能的输出编码。 在本例中，如果输入电压为5.5V，参考电压为8V，则输出为101。 更多的为数可以有更好的精度和更小的步长。 较低的基准电压可以得到较小的步长，但要付出噪音的代价。
April 3, 2007
。
4
最低有效位(LSB)与最高有效位(MSB)
电阻器
我们经常把电阻器看作是有噪音的器件，但是，如果我们选择的是阻值低到刚好够用的电阻 器，就可以把噪音保持在不影响系统性能的程度上。
23
IMD–互调失真
任何复杂信号都同时包含在几个频率下的若干分量。转换器的转移函数中的非线性不仅会导致纯音调的失真，还会 导致两个或更多信号频率进行交互并产生互调积。发生这种情况时，其结果被称作互调失真(IMD)。 IMD可以表示为互调积中的功率与原始输入频率之一中的功率的比率。某些应用，尤其是那些与射频信号处理有关 的应用，对互调积的敏感度比对其它情况的敏感度更高。
ADC基础知识
April 3, 2007
*本文档仅作为参考，不可作为设计依据。
1
潘
明
富昌电子/技术方案经理
联系电话：86-755-83410276 邮箱：simon.pan@future.ca
April 3, 2007
2
什么是ADC？
混合信号器件
模拟信号输入 数字信号输出
可看作除法器使用
输出：输入在VREF中所占部分是多少？ 输出 = 2n*G*AIN/VREF n = 输出位数(分辨率) G = 增益系数(通常为1) AIN = 模拟输入电压(或电流) VREF(IREF) = 基准电压(或电流)
April 3, 2007
。
20
ENOB–Effective Number of Bits
ENOB的意义在于它表明了ADC的SINAD值等同于其有效位数(ENOB)。 有效位数(或称有效比特数量，即ENOB)是一种有助于量化动态性能的参数。ENOB的 意思是说，转换器表现得就仿佛是分辨率为ENOB、理论上完美的转换器。 理想(完美)的ADC 绝对不失真，并且它表现出的唯一噪音是量化噪音，因此SNR 等 于SINAD。由于我们知道理想ADC的SINAD是(6.02n+1.76)dB，因此我们可以用ENOB 来替换n并计算：
Vref = 2.0V
积分非线性(INL)也被称为积分线性误差(ILE)和线性误差(LE)，他描述了与理想ADC的线性传输曲线的偏离。它 是对传输函数直线度的测量，且会大于微分非线性。 INL不包含量化误差、失调误差或者增益误差。 INL误差的大小和分布将决定转换器的积分线性。 INL是静态参数，并且与总谐波失真(动态参数)相关。然而，失真性能并不能从INL性能中预测到，除非当INL偏 离零点的时候THD趋向变得更差。
0 1 1 0 0 1 0 … 0 加权
最低有效位 第7个最高有效位 第6个最高有效位 第5个最高有效位 第4个最高有效位 第3个最高有效位 第2个最高有效位 最高有效位 一个8位ADC的位权重 MSB B7 128
April 3, 2007
2(n-?) 2(n-7) 2(n-6) 2(n-5) 2(n-4) 2(n-3) 2(n-2) 2(n-1)
数字电路一般会在数字电源线上导致很多噪音。如果用于模拟器件和/或混合信号器件的电源同时 也是用于数字元件的电源，那么这些噪音会通过这些模拟器件和混合信号器件的供电引脚进入其 中。在这些模拟元件和混合信号元件表现出良好电源抑制的范围内，这不会对它们造成影响。然 而， 电源抑制比(PSRR) 随着频率增加而下降。而且， 数据表上表示的PSRR 通常是指带两个不同 的稳定直流供电电压情况下，单一参数（如偏移电压）中的差额。这并没有说明电源上的高频噪音 被元件抑制的程度有多大。
April 3, 2007 。 13
缺失编码
当没有价值的输入电压产生了一个给定的输出编码，此时讨论的编码不会在输出中出现，编码 在传输函数中消失了，就被认为是缺失编码。
April 3, 2007
。
14
INL(ILE)
Actual “Straight” Line Ideal Straight Line
April 3, 2007
。
27
产生噪音的元器件/电路
常见的ADC输入信号调整 产生噪音的放大器
放大器噪音是一种明显的噪音源，但事实上是很难找到一种放大器，其抗噪音性能不会把系统 抗噪音性能退化到高精度ADC(12-bit或更高)可能达到的程度之下。在选择信号调节电路中的 放大器和缓冲器时，就需要非常仔细。
ENOB随频率的增加和随着输入电平的下降而下降，由于同样的原因，THD和SNR性能 随着频率增加而下降，随着输入电平增加而提高。请记住，ENOB取决于SINAD，而 SINAD又和THD和SNR相关。
April 3, 2007
。
21
SFDR–无杂散信号动态范围
无杂散动态范围(SFDR)是输出信号的期望值与输入中不存在的最高振幅输出频率分量 幅值之间的差额，单位是dB。
LSB值取决于ADC的基准电压与精度 LSB = VREF/2n
April 3, 2007
。
6
量化误差
April 3, 2007
。
7
增加½ LSB偏移
April 3, 2007
。
8
失调误差(零刻度失调误差)
失调误差可以表示成满刻度电压的百分比、电压值或LSB。
April 3, 2007 。 9
April 3, 2007
。
12
DNL
Ideal Actual
Missing Code(100)
Vref = 2.0V
在理想的转换器中，代码带代码转变点之间刚好相差1LSB。 理想的1LSB和输出代码转变之间在最差情形下世纪输入电压变化之间的差别称为微分非线性(DNL)。 DNL表明了距离模拟输入信号的理想1LSB步长值的偏差，他与代码到代码增量相对应。 作为一种静态参数， DNL与动态参数SNR相关。但无法从DNL性能来预测抗噪音性能，只能说随着DNL 偏离零点越来越远，SNR会变得越来越差。
量化噪音， 转换器本身产生的噪音， 应用电路噪音，以及 抖动。
April 3, 2007
。
18
THD–总谐波失真
April 3, 2007
。
19
SINAD–信号与噪音加失真比
由于它把所有不需要的分量与输入频率做比较，因此它是ADC动态性能的一个总体衡量 标准。 既然SINAD包含了SNR 和THD并且它们具有一样的权重，当SNR和–THD相同的时候场 SINAD可能出现最大值。然而，先进的ADC可以有很低的失真；假设系统反应是适当， SNR永不能非常接近–THD ，及SINAD倾向于加大至或极接近满幅。 现今ADC的THD效能很好，在不同的输入电平中所出现的效能都是没有改变的，故SNR决 定了SINAD，而SNR的效能并没有THD那么好，以致SINAD紧随SNR 。
April 3, 2007 。 15
“端点”与“最优适应”的INL测量
“端点” INL测量表示最差情况的INL
“最优适应” INL测量提供最可能的INL规格
有两种方法来测量积分非线性(INL)：最优适应和端点方法。 最优适应方法的一个优点是用户可以调节他的电路以实现低的INL参数，获得更佳的整体性能。但问题在于每块电路板都 必须调节对每个单独的转换器指导获得最小的INL参数，这是很费时的，也是昂贵的，不具可行性。 最优适应方法只适用于对动态应用，该类应用不太关心失调和增益误差，除非失调和增益误差非常大，对于某些应用它 能很好地预测总谐波失真性能。 端点测量方法让用户如果简单地调整两个端点，就能得到预测到最坏情况下的INL。因此端点方法适用于大多数ADC的应 用。 在直流应用方面的ADC应该采用端点方法来测量INL，对于动态应用的ADC来说采用任何方法来测量INL参数并没有区别。
April 3, 2007
。
26
VA-VDR电源去耦不足
ADC输出的为数字信号 ADC的电源电流为尖脉冲
ADC的数字输出激励器提供了相当快的边缘速率(升降时间)。在输出数据必须从逻辑低转向逻辑高 时，这导致输出激励器在上升时间非常快的情况下，提取不同数量的动态供电电流来给输出端上的 任何电容充电。如果模拟电路没有从ADC输出激励器去偶的话，由上述情况在输出激励器电源上引 入的噪音就会对这些模拟电路产生干扰。
April 3, 2007 。 17
SNR–信噪比
信噪比(SNR)是输出信号幅度与输出噪音的比值，不包括谐波或直流分量。 按照时钟频率的一半来求噪音电平的积分。 随着频率增加，SNR通常会变差，这是因为ADC内部的比较器的精确度在较高输入压摆率(slew rate) 时会变差。精确度的损失是以ADC输出端噪音的形式出现。 在ADC中，噪音来自四个源头：
April 3, 2007 。 24
噪音及失真的一般来源
电源旁路不足 VA-VDR电源去耦不足
VDR(或DRVD)是输出驱动电源
产生噪音的元器件及调节电路 输出/输入耦合 量化噪音 时钟噪音
April 3, 2007
。
25
电源旁路不足
噪音通过电源进入 指定的电源抑制比(PSRR)为直流测量值 交流电源抑制比直流电源抑制比更差 交流电源抑制比随频率变化而劣化
April 3, 2007
。
10
增益误差(满刻度增益误差)
增益误差，或者满刻度增益误差，是指对传输函数的理想曲线的偏离。它等同于满刻度误差减 去了失调误差。如果我们转移实际的传输曲线使得零度失调误差变为零，实际和理想之间转换 的差别对满刻度信号来说就是增益误差。 满刻度误差可以用LSB数来度量，或者用理想满刻度电压的百分比来表示。
B6 64
B5 32
B4 16
ห้องสมุดไป่ตู้
B3 8
。
B2 4
B1 2
LSB B0 1
5
不同精度与基准电压的LSB值
VREF
1.00V 1.00V 2.00V 2.00V 2.00V 2.048V 2.048V 4.00V 4.00V 4.00V
精度
8 12 8 10 12 10 12 8 10 12
1LSB
3.9062mV 244.14uV 7.8125mV 1.9531mV 488.28uV 2.0000mV 500.00uV 15.625mV 3.9062mV 976.56uV
满刻度(失调)误差
在一个理想的ADC中，输出代码变到满度 刚好发生在当输入电压等于G*VREF*(2n1.5)/2n。 在一个真实的ADC中，产生这个转变的满 刻度模拟输入电压与理想值有一定的差 异。 满刻度误差可以用LSB、电压或者满刻度 电压的百分比来表示。 最高失调是满刻度误差的另一种类型， 定义为正向基准电压和输入电压的差 值，输入电压指的是引起输出代码转换 到满刻度加1.5LSB，或者VFS。 EOT = VFT+1.5LSB-VREF = VFS-VREF
April 3, 2007 。 11
线性–DNL(DLE)及INL(ILE)
DNL–微分非线性 DLE–微分非线性误差 INL–积分非线性 ILE–积分非线性误差 DNL和DLE位同一概念，两者描述的均为步长之间的误差，是指代码之间的小 幅误差。 INL和ILE为同一概念，两者描述的均为传输函数中的弓形误差，这指的是整 个传输函数的大幅误差。
总不可调整误差
总不可调整误差(TUE)是一个综合的参数，包含了线性误差、增益误差和失调。它是对理想情况下器件性能的最坏 情况偏离。 TUE是一个静态参数。 你不会在所有的产品中发现这个参数的；只有当整体误差参数小于1或者2 LSB时，该参数才有意义。所以一般不会 在精度高于8-Bit的转换器的数据手册里找到该参数。 如果总不可调整误差远大于其他的误差参数，对每一个误差个别包含在单独数据表内是较合理的。否则，±1/2 LSB 线性和±3 LSB满度误差的器件可能被简单地归为一个“3 LSB”部分，用户可能不知道在需要线性而不是满刻 度精确性的应用场合该器件具有极佳的性能。
April 3, 2007 。 22
输入动态范围
动态范围为可分辨的最大与最小信号之比。不要与非杂散动态范围(SFDR)相混淆。
精度(Bits) 6 8 10 12 14 16 18 20
April 3, 2007 。
动态范围(Bit) 36.0 48.1 60.2 72.2 84.3 96.3 108.4 120.4
April 3, 2007
。
3
ADC做了些什么？
对于一个3-bit ADC，有8种可能的输出编码。 在本例中，如果输入电压为5.5V，参考电压为8V，则输出为101。 更多的为数可以有更好的精度和更小的步长。 较低的基准电压可以得到较小的步长，但要付出噪音的代价。
April 3, 2007
。
4
最低有效位(LSB)与最高有效位(MSB)
电阻器
我们经常把电阻器看作是有噪音的器件，但是，如果我们选择的是阻值低到刚好够用的电阻 器，就可以把噪音保持在不影响系统性能的程度上。
23
IMD–互调失真
任何复杂信号都同时包含在几个频率下的若干分量。转换器的转移函数中的非线性不仅会导致纯音调的失真，还会 导致两个或更多信号频率进行交互并产生互调积。发生这种情况时，其结果被称作互调失真(IMD)。 IMD可以表示为互调积中的功率与原始输入频率之一中的功率的比率。某些应用，尤其是那些与射频信号处理有关 的应用，对互调积的敏感度比对其它情况的敏感度更高。
ADC基础知识
April 3, 2007
*本文档仅作为参考，不可作为设计依据。
1
潘
明
富昌电子/技术方案经理
联系电话：86-755-83410276 邮箱：simon.pan@future.ca
April 3, 2007
2
什么是ADC？
混合信号器件
模拟信号输入 数字信号输出
可看作除法器使用
输出：输入在VREF中所占部分是多少？ 输出 = 2n*G*AIN/VREF n = 输出位数(分辨率) G = 增益系数(通常为1) AIN = 模拟输入电压(或电流) VREF(IREF) = 基准电压(或电流)
April 3, 2007
。
20
ENOB–Effective Number of Bits
ENOB的意义在于它表明了ADC的SINAD值等同于其有效位数(ENOB)。 有效位数(或称有效比特数量，即ENOB)是一种有助于量化动态性能的参数。ENOB的 意思是说，转换器表现得就仿佛是分辨率为ENOB、理论上完美的转换器。 理想(完美)的ADC 绝对不失真，并且它表现出的唯一噪音是量化噪音，因此SNR 等 于SINAD。由于我们知道理想ADC的SINAD是(6.02n+1.76)dB，因此我们可以用ENOB 来替换n并计算：
Vref = 2.0V
积分非线性(INL)也被称为积分线性误差(ILE)和线性误差(LE)，他描述了与理想ADC的线性传输曲线的偏离。它 是对传输函数直线度的测量，且会大于微分非线性。 INL不包含量化误差、失调误差或者增益误差。 INL误差的大小和分布将决定转换器的积分线性。 INL是静态参数，并且与总谐波失真(动态参数)相关。然而，失真性能并不能从INL性能中预测到，除非当INL偏 离零点的时候THD趋向变得更差。
0 1 1 0 0 1 0 … 0 加权
最低有效位 第7个最高有效位 第6个最高有效位 第5个最高有效位 第4个最高有效位 第3个最高有效位 第2个最高有效位 最高有效位 一个8位ADC的位权重 MSB B7 128
April 3, 2007
2(n-?) 2(n-7) 2(n-6) 2(n-5) 2(n-4) 2(n-3) 2(n-2) 2(n-1)
数字电路一般会在数字电源线上导致很多噪音。如果用于模拟器件和/或混合信号器件的电源同时 也是用于数字元件的电源，那么这些噪音会通过这些模拟器件和混合信号器件的供电引脚进入其 中。在这些模拟元件和混合信号元件表现出良好电源抑制的范围内，这不会对它们造成影响。然 而， 电源抑制比(PSRR) 随着频率增加而下降。而且， 数据表上表示的PSRR 通常是指带两个不同 的稳定直流供电电压情况下，单一参数（如偏移电压）中的差额。这并没有说明电源上的高频噪音 被元件抑制的程度有多大。
April 3, 2007 。 13
缺失编码
当没有价值的输入电压产生了一个给定的输出编码，此时讨论的编码不会在输出中出现，编码 在传输函数中消失了，就被认为是缺失编码。
April 3, 2007
。
14
INL(ILE)
Actual “Straight” Line Ideal Straight Line
April 3, 2007
。
27
产生噪音的元器件/电路
常见的ADC输入信号调整 产生噪音的放大器
放大器噪音是一种明显的噪音源，但事实上是很难找到一种放大器，其抗噪音性能不会把系统 抗噪音性能退化到高精度ADC(12-bit或更高)可能达到的程度之下。在选择信号调节电路中的 放大器和缓冲器时，就需要非常仔细。
ENOB随频率的增加和随着输入电平的下降而下降，由于同样的原因，THD和SNR性能 随着频率增加而下降，随着输入电平增加而提高。请记住，ENOB取决于SINAD，而 SINAD又和THD和SNR相关。
April 3, 2007
。
21
SFDR–无杂散信号动态范围
无杂散动态范围(SFDR)是输出信号的期望值与输入中不存在的最高振幅输出频率分量 幅值之间的差额，单位是dB。
LSB值取决于ADC的基准电压与精度 LSB = VREF/2n
April 3, 2007
。
6
量化误差
April 3, 2007
。
7
增加½ LSB偏移
April 3, 2007
。
8
失调误差(零刻度失调误差)
失调误差可以表示成满刻度电压的百分比、电压值或LSB。
April 3, 2007 。 9
April 3, 2007
。
12
DNL
Ideal Actual
Missing Code(100)
Vref = 2.0V
在理想的转换器中，代码带代码转变点之间刚好相差1LSB。 理想的1LSB和输出代码转变之间在最差情形下世纪输入电压变化之间的差别称为微分非线性(DNL)。 DNL表明了距离模拟输入信号的理想1LSB步长值的偏差，他与代码到代码增量相对应。 作为一种静态参数， DNL与动态参数SNR相关。但无法从DNL性能来预测抗噪音性能，只能说随着DNL 偏离零点越来越远，SNR会变得越来越差。
量化噪音， 转换器本身产生的噪音， 应用电路噪音，以及 抖动。
April 3, 2007
。
18
THD–总谐波失真
April 3, 2007
。
19
SINAD–信号与噪音加失真比
由于它把所有不需要的分量与输入频率做比较，因此它是ADC动态性能的一个总体衡量 标准。 既然SINAD包含了SNR 和THD并且它们具有一样的权重，当SNR和–THD相同的时候场 SINAD可能出现最大值。然而，先进的ADC可以有很低的失真；假设系统反应是适当， SNR永不能非常接近–THD ，及SINAD倾向于加大至或极接近满幅。 现今ADC的THD效能很好，在不同的输入电平中所出现的效能都是没有改变的，故SNR决 定了SINAD，而SNR的效能并没有THD那么好，以致SINAD紧随SNR 。
April 3, 2007 。 15
“端点”与“最优适应”的INL测量
“端点” INL测量表示最差情况的INL
“最优适应” INL测量提供最可能的INL规格
有两种方法来测量积分非线性(INL)：最优适应和端点方法。 最优适应方法的一个优点是用户可以调节他的电路以实现低的INL参数，获得更佳的整体性能。但问题在于每块电路板都 必须调节对每个单独的转换器指导获得最小的INL参数，这是很费时的，也是昂贵的，不具可行性。 最优适应方法只适用于对动态应用，该类应用不太关心失调和增益误差，除非失调和增益误差非常大，对于某些应用它 能很好地预测总谐波失真性能。 端点测量方法让用户如果简单地调整两个端点，就能得到预测到最坏情况下的INL。因此端点方法适用于大多数ADC的应 用。 在直流应用方面的ADC应该采用端点方法来测量INL，对于动态应用的ADC来说采用任何方法来测量INL参数并没有区别。
April 3, 2007
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26
VA-VDR电源去耦不足
ADC输出的为数字信号 ADC的电源电流为尖脉冲
ADC的数字输出激励器提供了相当快的边缘速率(升降时间)。在输出数据必须从逻辑低转向逻辑高 时，这导致输出激励器在上升时间非常快的情况下，提取不同数量的动态供电电流来给输出端上的 任何电容充电。如果模拟电路没有从ADC输出激励器去偶的话，由上述情况在输出激励器电源上引 入的噪音就会对这些模拟电路产生干扰。
April 3, 2007 。 17
SNR–信噪比
信噪比(SNR)是输出信号幅度与输出噪音的比值，不包括谐波或直流分量。 按照时钟频率的一半来求噪音电平的积分。 随着频率增加，SNR通常会变差，这是因为ADC内部的比较器的精确度在较高输入压摆率(slew rate) 时会变差。精确度的损失是以ADC输出端噪音的形式出现。 在ADC中，噪音来自四个源头：
April 3, 2007 。 24
噪音及失真的一般来源
电源旁路不足 VA-VDR电源去耦不足
VDR(或DRVD)是输出驱动电源
产生噪音的元器件及调节电路 输出/输入耦合 量化噪音 时钟噪音
April 3, 2007
。
25
电源旁路不足
噪音通过电源进入 指定的电源抑制比(PSRR)为直流测量值 交流电源抑制比直流电源抑制比更差 交流电源抑制比随频率变化而劣化
April 3, 2007
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10
增益误差(满刻度增益误差)
增益误差，或者满刻度增益误差，是指对传输函数的理想曲线的偏离。它等同于满刻度误差减 去了失调误差。如果我们转移实际的传输曲线使得零度失调误差变为零，实际和理想之间转换 的差别对满刻度信号来说就是增益误差。 满刻度误差可以用LSB数来度量，或者用理想满刻度电压的百分比来表示。
B6 64
B5 32
B4 16
ห้องสมุดไป่ตู้
B3 8
。
B2 4
B1 2
LSB B0 1
5
不同精度与基准电压的LSB值
VREF
1.00V 1.00V 2.00V 2.00V 2.00V 2.048V 2.048V 4.00V 4.00V 4.00V
精度
8 12 8 10 12 10 12 8 10 12
1LSB
3.9062mV 244.14uV 7.8125mV 1.9531mV 488.28uV 2.0000mV 500.00uV 15.625mV 3.9062mV 976.56uV
满刻度(失调)误差
在一个理想的ADC中，输出代码变到满度 刚好发生在当输入电压等于G*VREF*(2n1.5)/2n。 在一个真实的ADC中，产生这个转变的满 刻度模拟输入电压与理想值有一定的差 异。 满刻度误差可以用LSB、电压或者满刻度 电压的百分比来表示。 最高失调是满刻度误差的另一种类型， 定义为正向基准电压和输入电压的差 值，输入电压指的是引起输出代码转换 到满刻度加1.5LSB，或者VFS。 EOT = VFT+1.5LSB-VREF = VFS-VREF
April 3, 2007 。 11
线性–DNL(DLE)及INL(ILE)
DNL–微分非线性 DLE–微分非线性误差 INL–积分非线性 ILE–积分非线性误差 DNL和DLE位同一概念，两者描述的均为步长之间的误差，是指代码之间的小 幅误差。 INL和ILE为同一概念，两者描述的均为传输函数中的弓形误差，这指的是整 个传输函数的大幅误差。