整個信號鏈累積起來並且最終會影響到轉換器的誤差有多重。

 

但請記住
，轉換器是信號鏈的瓶頸，最終決定著信號的表示精度。因此，轉換器的選擇是設定係統整體要求的關鍵。

 

在信號鏈中，可能會累積的誤差有兩類——即直流和交流誤差。

 

直流或靜態誤差（如增益和失調誤差）有助於了解信號鏈的精度或靈敏度；

 

交流類誤差也稱為噪聲和失真，限製著係統的性 能和動態範圍。

 

這兩類誤差都需要了解，因為二者最終決定著係統的分辨率。本文將專門分析直流誤差，根據其與無源和有源器件的關係

， 對每種不精確性進行細分。

 

分析誤差前，先對信號鏈分個級

 

圖 1 是一種可以達到 0.1% 精度要求的簡單數據采集係統，也就是說，每輸入 1V 的電壓
，輸出要麼為 0.99388V

，要麼為 1.00612V。因此，轉換器規定的動態範圍為 60dB 或 9.67ENOB，假設其滿量程電壓為 10 V。轉換器有兩個放大器級
、一個多路複用器和一個 ADC。本分析將忽略傳感器、電纜

、連接器、PCB 寄生電容和任何外部影響/誤差，因為這些情況在很大程度上取決於我們要測量的具體應用或信號。

 

 

圖1. 此簡單數據采集信號鏈係統的設計精度為0.1%。
 

為了給各誤差提供參考，應將分析的各級細分成各個部分。我們將數據采集信號鏈分為四個級——

 

第一級，一個簡單的差分放大器 (圖2)。該放大器的增益為 4×，輸入阻抗為 500 Ω。設置電容是為了進行可選的濾波處理。

 

 

圖2. 差分放大器為數據采集信號鏈的第一級。
 

第二級，將放大器的輸出信號施加到多路複用器的 8 個輸入端 (圖3)。每個輸入以一個阻尼電阻 (RO) 進(jin)行(xing)緩(huan)衝(chong)，以(yi)減(jian)少(shao)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)器(qi)通(tong)道(dao)切(qie)換(huan)導(dao)致(zhi)的(de)電(dian)荷(he)反(fan)衝(chong)。根(gen)據(ju)多(duo)路(lu)複(fu)用(yong)器(qi)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)規(gui)定(ding)的(de)技(ji)術(shu)規(gui)格(ge)，每(mei)個(ge)通(tong)道(dao)的(de)內(nei)部(bu)會(hui)設(she)有(you)一(yi)些(xie)寄(ji)生(sheng)電(dian)容(rong)或(huo)額(e)定(ding) RO。

 

 

圖3. 此 8:1 多路複用器有 8 個緩衝輸入。
 

第三級，將結果形成的通道信號施加到單位增益緩衝級放大器 (圖4)。使用電阻是為了減少輸入偏置電流不平衡。

 

 

圖 4. 將一個通道信號施加到這類緩衝放大器。

第四級
，將經過緩衝的信號施加到 12 位、1 MSPS ADC
，在此，信號最終進 入數字域 (圖5)。shiyongchuanxingdianzushiweilehuanchonghuoyizhifangdaqiyuzhuanhuanqizhijiandexinhao，jiadazhelianggeqijianzhijiandedianzu。jieguohuijianshaocongzhuanhuanqifanchongdaofangdaqidedianhe，feichangxiangduolufuyongqi。zheyeyouzhuyufangdaqishuchujianli，bingfangzhiqifashengzhendang。

 

 

圖5. 信號緩衝後將被施加到 12位、1 MSPS ADC。
 

電容提供了一個簡單的低通抗混疊濾波器 (AAF)，用以衰減目標頻帶之外的信號和噪聲。AAF deshejizaihendachengdushangqujueyuxitongdeshejiheyingyong。zuihou，shanglahexialaerjiguankezengtianshurubaohugongneng
，kefangzhiyoukenengbeishijiadaozhuanhuanqishuruduandejiduanguozaixinhaodaozhiderenheguzhangzhuangkuang。

 

接下來，我們將基於這裏討論的各個信號鏈級，考察無源誤差和有源誤差。

 

 

suoyouwuyuanzujiandouyouwuchayuqixiangguan
，youqishidianzu。biaomianshangkan，dianzusihushibijiaojiandandeqijian，danshijishang
，ruguoqiguigebufuheshejiyaoqiu

，zezaizhenggexinhaolianzhongdouyoukenengdaozhiwucha。zhelibuhuitaolunruhexuanzezhengquededianzuleixingjiqigoucheng。danyaojizhu，genjujutideyingyong，youxiedianzuleixingkenengbiqitagengheshi。

 

阻zu性xing直zhi流liu誤wu差cha源yuan於yu不bu理li想xiang的de電dian阻zu容rong差cha。簡jian單dan地di指zhi定ding容rong差cha值zhi是shi不bu夠gou的de。然ran而er，對dui電dian阻zu誤wu差cha容rong差cha過guo分fen挑tiao剔ti也ye可ke能neng產chan生sheng不bu利li影ying響xiang，使shi得de分fen析xi過guo於yu複fu雜za。在zai為wei給gei定ding的de信xin號hao鏈lian指zhi定ding電dian阻zu類lei型xing時shi
，至zhi少shao要yao注zhu意yi四si個ge至zhi關guan重zhong要yao的de技ji術shu規gui格ge：

 

值容差，單位通常為%。

 

溫度係數或漂移，單位通常為ppm/°C。

 

壽命漂移或合格性，通常以指定小時數內的%為單位(通常為1000)。

 

值容差比
，當網絡中或同一封裝中有兩個或以上的電阻且值匹配時，值容差以%為單位。

 

為了說明電阻誤差是如何累積起來的 (圖6)，我們來看看下麵這個例子：假設有一個 100 Ω 的電阻
，其值容差為 1%
，溫度漂移為 100 ppm/°C，壽命容差為 5%，則在 5000 小時的壽命周期內，在 85°C 的溫度範圍內，其電阻為 93.15 Ω 至 106.85 Ω：

 

 

圖6. 此圖所示為一個電阻誤差模型。
 

總容差(RVALUE + RTOL + RCOEFF + RLIFE) = (RVALUE + ((RTOL/100) × RVALUE)+ (((RCOEFF × 0.000001) ×溫度範圍) ×RVALUE) + ((RLIFE/100) × RVALUE))= 94 Ω 至106 Ω.

 

 

有些組件的壽命周期隻有1000小時
，但設計的要求可能要長得多，比如，10,000小時。為了解決這個問題，不要將1000小時乘以8.77 (8766小時/年)；這樣做太過悲 觀了。任何精密模擬電路中的長期漂移都會有一定的“隨機遊動”量。正確的做法是用此數值的平方根，即 √8.766 = ~3再乘以1000小時。因此，10,000小時的壽命周期為： √10.000 = 3.16 × 1000小時
，如此等等。

 

需xu要yao注zhu意yi的de是shi
，電dian容rong和he電dian感gan也ye有you誤wu差cha。但dan這zhe些xie誤wu差cha通tong常chang可ke以yi忽hu略lve不bu計ji，在zai這zhe類lei直zhi流liu分fen析xi裏li並bing無wu多duo大da的de價jia值zhi。另ling外wai，這zhe些xie器qi件jian實shi際ji上shang是shi無wu功gong器qi件jian，對dui濾lv波bo和he帶dai寬kuan容rong差cha的de影ying響xiang最zui大da，本ben文wen的de直zhi流liu分fen析xi裏li同tong樣yang沒mei有you考kao慮lv這zhe一yi點dian。

 

 

圖1 所描述的信號鏈采用了最普通的構建模塊，這是數據采集係統的一種實現方法。該信號鏈由兩個放大器、一個多路複用器和一個 ADC goucheng。danyaojizhudeshi，youxuduoleixingdeyouyuanqijiandoumiaoshulegeleixinhaolianhebutongdexitongtuopujiegou。zaishishizheleifenxishi
，suoyouyouyuanqijiandouhuiyoumouxieleixingdezhiliuwucha。weilelejieyaoshejidexitongdejingdu，bixujuedingyaokaolvnaxiewucha，zheyidianshifenzhongyao。

 

基本而言
，直流精度中涉及兩類/組zu誤wu差cha。對dui所suo有you這zhe些xie有you源yuan器qi件jian來lai說shuo，這zhe些xie誤wu差cha既ji有you個ge別bie性xing，也ye有you普pu遍bian性xing。單dan個ge有you源yuan器qi件jian誤wu差cha隻zhi會hui顯xian示shi相xiang對dui於yu該gai器qi件jian的de已yi知zhi直zhi流liu誤wu差cha。這zhe類lei誤wu差cha可ke以yi在zai相xiang應ying的de數shu據ju手shou冊ce裏li找zhao到dao。例li如ru
，放fang大da器qi的de輸shu入ru失shi調tiao電dian壓ya會hui被bei認ren為wei屬shu於yu個ge別bie誤wu差cha
，因yin為wei此ci誤wu差cha隻zhi是shi該gai有you源yuan器qi件jian特te有you的de誤wu差cha。

 

全局誤差是信號鏈或係統中各個有源器件均存在的等量誤差，但根據有源器件各自性能的不同，會表現出不同的誤差 (圖7)。全局誤差的一個例子是總線電源和溫度的電壓調整率誤差。接下來，我們逐一分解信號鏈中所示三個有源器件的這些誤差。

 

 

圖7. 有源器件受兩類直流精度誤差的影響—個別誤差和全局誤差。
 

zhongsuozhouzhi，fangdaqihaiyuanyuanmeiyoudadaolixiangshuiping。tamenyouxuduowucha
，yibandoulieshiyushujushoucedangzhong。shitiaodianyahepianzhidianliushiliangzhongchangjiandewucha，dantongshiyeyaokaolvrenhepiaoyiwucha
、長期誤差和隔離誤差(如電源抑製比(PSRR))。表1列出了在使用放大器時應考慮的下列誤差。

 

表1. 放大器的各種誤差
 

 

多路複用器的誤差一般少於放大器。在各種多路複用器直流誤差中
，導通電阻和通道隔離是影響最大的誤差。表 2 列出了在使用多路複用器時應考慮的誤差。

 

表2. 多路複用器的各種誤差
 

 

失調
、增益和 DNL 都是眾所周知且較好理解的誤差。同時還要包括PSRR。在使用第一部分提到的 ADC 時，應該考慮下列轉換器誤差：

 

相對精度DNL，定義為±0.5 LSBs。

 

相對精度溫度係數DNL溫度係數，通常包含在數據手冊的相對精度規格中。

 

增益溫度係數誤差，為±2.5 LSB (數據來源於上文示例)。

 

失調溫度係數誤差，為±1.3 LSB (數據來源於上文示例)。

 

電源靈敏度，通常以第一奈奎斯特區內的低頻PSRR表示；對於12位ADC而言，一般可表示為60 dB或±2 LSB。

 

為(wei)節(jie)省(sheng)篇(pian)幅(fu)，我(wo)們(men)在(zai)這(zhe)裏(li)不(bu)會(hui)詳(xiang)細(xi)討(tao)論(lun)這(zhe)些(xie)誤(wu)差(cha)是(shi)如(ru)何(he)在(zai)有(you)源(yuan)器(qi)件(jian)內(nei)部(bu)產(chan)生(sheng)的(de)。所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)誤(wu)差(cha)均(jun)在(zai)大(da)量(liang)論(lun)文(wen)和(he)文(wen)章(zhang)中(zhong)有(you)明(ming)確(que)的(de)定(ding)義(yi)和(he)詳(xiang)細(xi)的(de)描(miao)述(shu)。在(zai)此(ci)需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)基(ji)本(ben)誤(wu)差(cha)
，確(que)保(bao)分(fen)析(xi)確(que)實(shi)可(ke)靠(kao)
，能(neng)達(da)到(dao)係(xi)統(tong)精(jing)度(du)目(mu)標(biao)規(gui)格(ge)的(de)要(yao)求(qiu)。

 

上麵就個別有源器件的誤差提出了建議並給出了其定義，接下來，應該考慮全局誤差

，這類誤差會對整個信號鏈產生影響 (表3)。在(zai)這(zhe)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)示(shi)例(li)中(zhong)
，隻(zhi)會(hui)將(jiang)溫(wen)度(du)和(he)電(dian)壓(ya)調(tiao)整(zheng)率(lv)作(zuo)為(wei)全(quan)局(ju)誤(wu)差(cha)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)。然(ran)而(er)，同(tong)時(shi)還(hai)有(you)必(bi)要(yao)考(kao)慮(lv)特(te)定(ding)應(ying)用(yong)或(huo)設(she)計(ji)內(nei)在(zai)的(de)任(ren)何(he)其(qi)他(ta)外(wai)部(bu)影(ying)響(xiang)因(yin)素(su)。

 

表3. 全局信號鏈
 

 

 

前麵定義了全部有源和無源誤差，接下來
，我們要把這些誤差輸入電子表格裏
，以便計算信號鏈的直流精度。表4展示了完成這一任務的一種方法。

 

雖(sui)然(ran)分(fen)析(xi)信(xin)號(hao)鏈(lian)精(jing)度(du)的(de)方(fang)法(fa)有(you)許(xu)多(duo)種(zhong)
，但(dan)電(dian)子(zi)表(biao)格(ge)法(fa)卻(que)最(zui)為(wei)靈(ling)活(huo)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)還(hai)有(you)助(zhu)於(yu)了(le)解(jie)如(ru)何(he)把(ba)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)誤(wu)差(cha)數(shu)據(ju)在(zai)信(xin)號(hao)鏈(lian)設(she)計(ji)中(zhong)進(jin)行(xing)細(xi)分(fen)。借(jie)助(zhu)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)快(kuai)速(su)而(er)有(you)效(xiao)地(di)在(zai)可(ke)以(yi)為(wei)設(she)計(ji)考(kao)慮(lv)的(de)合(he)適(shi)器(qi)件(jian)之(zhi)間(jian)做(zuo)出(chu)權(quan)衡(heng)。

 

花些時間編製一份電子表格
，使其布局合理
、有序。在表格頂部，定義全局誤差和信號鏈規格
，因為這些數據會影響整個信號鏈的性能。放大器規格/誤差也放在頂部，因為整個信號鏈中有多種誤差和兩個放大器級。

 

往wang下xia，在zai表biao格ge左zuo側ce
，把ba所suo有you誤wu差cha細xi分fen到dao各ge電dian阻zu級ji。電dian阻zu誤wu差cha也ye細xi分fen到dao了le各ge個ge級ji，以yi便bian於yu了le解jie相xiang應ying的de權quan衡heng情qing況kuang。右you側ce所suo示shi為wei在zai信xin號hao流liu進jin流liu出chu各ge級ji時shi連lian讀du計ji算suan和he累lei計ji計ji算suan的de誤wu差cha。

 

在計算結果，所有誤差均已轉換成電壓格式。這樣是為了方便起見，因為轉換器處於信號鏈末端
，其輸入滿量程是以電壓進行描述的。RTO (參考輸出)用於描述從一級到下一級連續累計的 誤差。各級同時還產生一個獨立的合計數和RSS (和方根)合計數，以展示根據所用方法的不同，誤差是如何累積起來的。

 

因此
，根據表4裏的最終結果，累計的合計誤差為±2.6%，RSS誤差為±1.6%。這是本文討論的整個信號鏈的誤差，其前提是針對各個部分的數據手冊規格以及前麵提到的在26°C下的全局條件。

 

表4. 全信號鏈分析示例
 

 

 

 

 

 

 

精(jing)度(du)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)多(duo)種(zhong)方(fang)式(shi)計(ji)算(suan)，並(bing)且(qie)可(ke)能(neng)表(biao)現(xian)為(wei)多(duo)種(zhong)形(xing)式(shi)。根(gen)據(ju)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)的(de)想(xiang)法(fa)，可(ke)以(yi)深(shen)入(ru)了(le)解(jie)並(bing)記(ji)錄(lu)所(suo)用(yong)方(fang)法(fa)，以(yi)避(bi)免(mian)形(xing)成(cheng)錯(cuo)誤(wu)結(jie)果(guo)。請(qing)記(ji)住(zhu)
，在(zai)第(di)一(yi)部(bu)分(fen)，我(wo)們(men)提(ti)到(dao)，如(ru)果(guo)隻(zhi)是(shi)用(yong)所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)誤(wu)差(cha)源(yuan)的(de)和(he)方(fang)根(gen)(RSS)值
，結果可能會過於悲觀。然而，統計容差結果可能過於樂觀了(總誤差之和除以誤差數)。整個信號鏈的實際容差應當介於這兩種思路或方法之間。

 

因此，當在整個信號鏈中加入(累積)精度誤差的時候，或者進行任何係統精度分析的時候，設計人員應當使用加權誤差源法(如第一部分ADC示例所示)，然後對這些誤差源進行RSS計算。這是確定整個信號鏈總誤差的最佳方法。

 

 

無wu源yuan和he有you源yuan器qi件jian都dou會hui出chu現xian多duo種zhong誤wu差cha。並bing非fei所suo有you誤wu差cha都dou很hen重zhong要yao，但dan要yao記ji住zhu對dui信xin號hao鏈lian應ying用yong重zhong要yao的de那na些xie誤wu差cha。並bing非fei所suo有you誤wu差cha對dui每mei種zhong應ying用yong都dou有you效xiao。在zai進jin行xing任ren何he直zhi流liu精jing度du誤wu差cha分fen析xi時shi，決jue定ding最zui重zhong要yao或huo者zhe影ying響xiang最zui大da或huo權quan重zhong最zui大da的de誤wu差cha有you哪na些xie，這zhe是shi必bi不bu可ke少shao的de步bu驟zhou。

 

選xuan擇ze合he適shi的de無wu源yuan器qi件jian對dui於yu信xin號hao鏈lian中zhong的de累lei積ji誤wu差cha就jiu如ru有you源yuan器qi件jian一yi樣yang有you用yong。編bian製zhi電dian子zi表biao格ge並bing對dui數shu據ju進jin行xing分fen類lei，有you助zhu於yu快kuai速su考kao慮lv多duo種zhong不bu同tong的de器qi件jian和he折zhe衷zhong情qing況kuang。最zui後hou
，誤wu差cha的de累lei積ji可ke能neng表biao現xian為wei多duo種zhong不bu同tong形xing式shi
，最zui常chang用yong的de方fang法fa是shiRSS精度法。

 

然而
，有人可能認為
，加權總和誤差法是確定“最差條件直流誤差”的正確方式。否則，這可能輕易導致信號鏈的設計超過規格要求，用更多器件來補償原來的誤差集。更不用說成本及設計大小、重量和功率(SWaP)等因素的增量。


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