模数转换器和DAC的类型

本文档收集并定义了模数转换器 （ADC） 和数模转换器 （DAC） 常用的技术术语。

采集时间

采集时间是保持状态释放（由采样保持的输入电路施加）与采样电容上的电压稳定到新输入值的1 LSB以内的时刻之间的间隔。采集时间方程（TACQ） 是：

其中RSOURCE是源阻抗，CSAMPLE是采样电容，N是分辨率位数。

混 叠

在采样理论中，超过奈奎斯特频率的输入信号频率被“混叠”。也就是说，它们被“折回”或在奈奎斯特频率上方和下方频谱中的其他位置复制。为防止混叠，必须充分滤除所有不需要的信号，以便ADC不会对其进行数字化处理。混叠可用于欠采样时的优势。

光圈延迟

孔径延迟（tAD）是时钟信号的采样沿（图中时钟信号的上升沿）与采样时刻之间的间隔。当ADC的采样保持进入保持状态时采集样本。

图1.孔径延迟（红色）和抖动（蓝色）。

孔径抖动

孔径抖动（tAJ） 是孔径延迟的样本间变化，如图所示。典型的ADC孔径抖动值远小于孔径延迟。

二进制编码（单极）

直接二进制是一种通常用于单极性信号的编码方案。二进制代码（零刻度到满量程）的范围从所有零 （00...000） 到所有 11 的正满量程值 （111...10）。中间量程由 000 （MSB） 后跟所有零 （<>...<>） 表示。此代码类似于偏移二进制编码，它适应双极性传递函数的正值和负值。

双极性输入

术语“双极性”表示信号摆动高于和低于某个参考电平。在单端系统中，输入通常以模拟地为基准，因此双极性信号是摆动在地上和地电位以下的信号。在差分系统中，信号不以地为基准，而是以负输入为基准，双极性信号是指正输入摆幅高于和低于负输入的信号。

共模抑制 （CMR）

共模抑制是器件抑制两个输入共有的信号的能力。共模信号可以是交流或直流信号，也可以是两者的组合。共模抑制比（CMRR）是差分信号增益与共模信号增益之比。CMRR通常以分贝（dB）表示。

串音

串扰是衡量每个模拟输入与其他输入隔离程度的指标。对于具有多个输入通道的ADC，串扰是从一个模拟输入耦合到另一个模拟输入的信号量。此值通常以分贝 （dB） 为单位指定。对于具有多个输入通道的DAC，串扰是更新另一个DAC输出通道时DAC输出上出现的噪声量。

微分非线性 （DNL） 误差

对于ADC，触发任意两个连续输出代码的模拟输入电平应相差一个LSB （DNL = 0）。与一个LSB的任何偏差都定义为DNL。对于DAC，DNL误差是连续DAC代码的理想输出响应与测量输出响应之间的差异。理想的DAC响应的模拟输出值应相隔一个代码（LSB）（DNL = 0）。（大于或等于 1LSB 的 DNL 规范保证单调性。（参见“单调性”。

图2.用于 ADC 和 DAC 的 DNL。

数字馈通

数字馈通是数字控制线切换时DAC输出上出现的噪声。在图中，DAC输出的馈通是串行时钟信号噪声的结果。

图3.数字馈通。

动态范围

动态范围通常以dB表示，定义为器件本底噪声与其指定的最大输出电平之间的范围。ADC的动态范围是ADC可以解析的信号幅度范围;动态范围为60dB的ADC可以分辨x至1000x的信号幅度。动态范围在信号强度变化很大的通信应用中非常重要。如果信号太大，则会超出ADC输入的范围。如果信号太小，它会在转换器的量化噪声中丢失。

有效位数 （ENOB）

ENOB指定ADC在特定输入频率和采样速率下的动态性能。理想ADC的误差仅由量化噪声组成。随着输入频率的增加，总噪声（特别是在失真分量中）也会增加，从而降低ENOB和SINAD。（参见'信噪比和失真比'）满量程正弦输入波形的 ENOB 计算公式为：

力检测输出

这是一种测量技术，其中电压（或电流）被强制在电路中的远程点，并测量（检测）产生的电流（或电压）。例如，具有集成输出放大器的DAC有时包括力检测输出。输出放大器的反相输入可用于外部连接，反馈路径必须从外部闭合。

全功率带宽 （FPBW）

ADC在施加的模拟输入等于或接近转换器规定的满量程幅度时工作。输入频率增加到数字化转换结果幅度减小3dB的点。该输入频率定义为全功率输入带宽。

满量程 （FS） 错误

满量程误差是触发向满量程转换的实际值与理想的模拟满量程转换值之间的差值。满量程误差等于失调误差+增益误差，如图所示。

图4.ADC和DAC的满量程误差。

满量程增益误差 （DAC）

数模转换器（DAC）的满量程增益误差是实际输出范围和理想输出范围之间的差值。实际跨度由所有输入设置为 1s 时的输出确定，当所有输入设置为 0s 时减去输出。任何数据转换器的满量程增益误差都可能受到用于测量增益误差的基准电压源选择的影响。

增益误差

ADC或DAC的增益误差表示实际传递函数的斜率与理想传递函数斜率的匹配程度。增益误差通常以LSB或满量程范围的百分比（%FSR）表示，可以使用硬件或软件进行校准。增益误差是满量程误差减去失调误差。

图5.ADC和DAC的增益误差。

增益误差漂移

增益误差漂移是环境温度变化引起的增益误差变化，通常以ppm/°C表示。

增益匹配

增益匹配表示多通道ADC中所有通道的增益相互匹配的程度。要计算增益匹配，请将相同的输入信号应用于所有通道，并报告增益的最大偏差，通常以dB为单位。

毛刺脉冲

毛刺脉冲是发生主进位转换时DAC输出端出现的电压瞬变。通常以nV•s测量，它等于电压与时间图上的曲线下面积。

谐波

周期信号的谐波是信号基频的正弦波倍数。

积分非线性 （INL） 误差

对于数据转换器，INL是实际传递函数与直线的偏差。消除失调和增益误差后，直线要么是最佳拟合直线，要么是在传递函数端点之间绘制的直线。INL通常被称为“相对精度”。

图6.用于 ADC 和 DAC 的 INL。

互调失真 （IMD）

IMD是一种现象，其中电路或器件中的非线性会产生原始信号中没有的新频率分量。IMD包括谐波失真和双音失真的影响。它被测量为那些选定的互调产物（即IM2至IM5）的总功率与两个输入信号f1和f2的总功率。信号 f1 和 f2 的振幅相等，频率非常接近。二阶至五阶互调产物如下：

二阶互调积 （IM2）： f2 + f1， f2 - f2

三阶互调积 （IM3）： 3 x f2 - f1， 2 x f2 - f2， 1 x f2 + f1， 2 x f2 + f2

四阶互调积 （IM4）： 4 x f3 - f1， 2 x f3 - f2， 1 x f3 + f1， 2 x f3 + f2

五阶互调积 （IM5）：5 x f3 - 1 x f2、2 x f3 - 2 x f2、1 x f3 + 1 x f2、2 x f3 + 2 x f2。

最低有效位 （LSB）

在二进制数中，LSB 是组中权重最小的位。通常，LSB是最右位。对于ADC或DAC，LSB的权重等于转换器的满量程电压范围除以2N，其中 N 是转换器的分辨率。对于单极性满量程电压为 12.2V 的 5 位 ADC，1LSB = （2.5V/212) = 610µV

Major-Carry Transition

在主要进位转换（大约中量程）时，MSB 从低电平变为高电平，所有其他位从高电平变为低电平，或者 MSB 从高电平变为低电平，所有其他位从低电平变为高电平。例如，01111111到 10000000 是主要进位转换。主进位转换通常会产生最差的开关噪声。（请参阅毛刺脉冲。

单调

如果对于每个 n，Pn + 1 大于或等于 Pn，则序列单调增加。类似地，如果对于每个 n，Pn + 1 小于或等于 Pn，则序列单调递减。如果模拟输出总是随着DAC代码输入的增加而增加，则DAC是单调的。如果数字输出代码总是随着ADC模拟输入的增加而增加，则ADC是单调的。如果 DNL 误差不大于 ±1LSB，则保证转换器单调。

最高有效位 （MSB）

在二进制数中，MSB 是数字中权重最高的位。通常，MSB 是最左边的位。

乘法运算DAC （MDAC）

乘法DAC允许将交流信号施加到基准输入。通过将目标信号馈入基准输入并使用DAC代码对信号进行缩放，DAC可用作数字衰减器。

无失码

如果ADC根据施加到模拟输入的斜坡信号产生所有可能的数字代码，则ADC没有失码。

奈奎斯特频率

奈奎斯特原理指出，为了允许模拟信号完全表示而没有混叠效应，ADC的采样速率必须至少是信号最大带宽的两倍。此最大带宽称为奈奎斯特频率。

偏移二进制编码

偏移二进制是一种通常用于双极性信号的编码方案。在偏移二进制编码中，最负值（负满量程）由所有零 （00...000） 表示，最正值（正满量程）由所有 11 （111...10） 表示。零刻度由 000 （MSB） 后跟所有零 （<>...<>） 表示。该方案类似于直接二进制编码，通常用于单极性信号。（请参阅二进制编码，单极性。

失调误差（双极性）

双极性转换器中失调误差的测量与单极性转换器中的失调误差测量相似。然而，在零尺度下测量的误差位于双极传递函数的中点。（请参见偏移误差（单极性）。

失调误差（单极性）

失调误差，通常称为“零刻度”误差，表示实际传递函数与单个点的理想传递函数的匹配程度。对于理想的数据转换器，第一次跃迁发生在零以上0.5LSB。对于ADC，零电平电压施加到模拟输入并增加，直到发生第一次转换。对于DAC，失调误差是对全为零的输入代码的模拟输出响应。

图7.ADC和DAC的失调误差

失调误差漂移

失调误差漂移是环境温度变化引起的失调误差变化，通常以ppm/°C表示。

过采样

对于ADC，以远高于奈奎斯特频率的速率对模拟输入进行采样称为过采样。过采样通过有效降低本底噪声来提高ADC的动态性能。改进的动态性能反过来又会带来更高的分辨率。过采样是Σ-Δ型ADC的基础。

另见应用笔记揭秘Σ-Δ型ADC的神秘面纱

相位匹配

相位匹配表示应用于多通道ADC中所有通道的相同信号的相位匹配程度。相位匹配是所有通道中相位的最大偏差，通常以度为单位报告。

电源抑制 （PSR）

电源抑制比（PSRR）是直流电源电压的变化与由此产生的满量程误差变化之比，以dB表示。

量化误差

对于ADC，量化误差定义为实际模拟输入与该值的数字表示之间的差值。（参见'量化'）

比率测量

施加到传感器（即称重传感器或电桥）的信号的一部分施加到ADC的基准电压输入，而不是恒定值的基准电压。这种类型的测量称为比率测量，可消除基准电压变化引起的任何误差。下图显示了使用电阻电桥进行比率测量的示例。

图8.使用电阻桥网络进行比率测量。

分辨率

ADC分辨率是用于表示模拟输入信号的位数。为了更准确地复制模拟信号，必须提高分辨率。使用更高分辨率的ADC还可以降低量化误差。对于DAC，分辨率相似，但相反——增加应用于更高分辨率DAC的代码会在模拟输出中产生更小的步长。

均方根 （RMS）

交流波形的均方根值是该信号的有效直流值或直流等效值。交流波形的RMS值是通过取交流波形的平方根，随时间变化的平方和平均来计算的。对于正弦波，RMS值是峰值的2/2（或0.707）倍，是峰峰值的0.354倍。

采样率/频率

采样速率或采样频率以每秒采样数 （sps） 表示，是 ADC 采集（采样）模拟输入的速率。对于每次转换执行一个采样的ADC（例如SAR、闪存和流水线ADC），采样速率也称为吞吐速率。对于Σ-Δ型ADC，采样速率通常远高于输出数据速率。

建立时间

对于DAC，建立时间是命令更新（更改）其输出值与达到其最终值之间的时间间隔，在指定的百分比内。建立时间受输出放大器的压摆率以及放大器振铃量和信号过冲的影响。对于ADC，采样电容上的电压稳定到1 LSB以内所需的时间必须小于转换器的采集时间。

信噪比和失真 （SINAD）

SINAD 是正弦波的 RMS 值（ADC 的输入或 DAC 的重构输出）与转换器噪声加失真（不含正弦波）的 RMS 值之比。RMS噪声加失真包括奈奎斯特频率以下的所有频谱分量，不包括基波和直流偏移。SINAD 通常以 dB 表示。

信噪比 （SNR）

SNR是给定时间点所需信号的幅度与噪声信号幅度的比值。对于从数字样本完美重建的波形，理论最大SNR是满量程模拟输入（RMS值）与RMS量化误差（残余误差）之比。理想的理论最小ADC噪声仅由量化误差引起，直接由ADC的分辨率（N位）产生：

（除量化噪声外，实际ADC还会产生热噪声、基准噪声、时钟抖动等。

有符号二进制编码

有符号二进制是一种编码方案，其中 MSB 表示二进制数的符号（正或负）。因此，-8 的 2 位表示10000010，+2 的表示00000010。

压摆率

压摆率是DAC输出可以改变的最大速率，或ADC输入在不导致数字化输出误差的情况下可以改变的最大速率。对于带输出放大器的DAC，指定的压摆率通常是放大器的压摆率。

小信号带宽 （SSBW）

要测量SSBW，应向ADC施加幅度足够小的模拟输入信号，使其压摆率不会限制ADC性能。然后，扫描输入频率，直到数字化转换结果的幅度减小-3dB。SSBW通常受到相关采样保持放大器性能的限制。

无杂散动态范围 （SFDR）

SFDR是基波（最大信号分量）的RMS幅度与下一个最大杂散分量的RMS值之比，不包括直流偏移。SFDR 以相对于载波的分贝 （dBc） 为单位指定。

总谐波失真 （THD）

THD测量信号的失真成分，并以相对于载波的分贝（dBc）为单位。对于ADC，THD是输入信号的选定谐波的RMS总和与基波本身的比值。测量中仅包括奈奎斯特极限内的谐波。

跟踪并保持

采样保持电路通常称为“采样保持”，是指ADC的输入采样电路。采样保持输入的最基本表示形式是模拟开关和电容。（见图。当开关闭合时，电路处于“跟踪”模式。当开关断开时，输入的最后一个瞬时值保持在采样电容上，电路处于“保持”模式。

图9.基本的跟踪和保持。

过渡噪声

转换噪声是导致ADC输出在相邻输出代码之间切换的输入电压范围。随着模拟输入电压的增加，由于相关的转换噪声，定义每个代码转换发生位置的电压（代码边沿）是不确定的。

二的补码编码

Two's 补码是一种正数和负数的数字编码方案，可简化加法和减法计算。在此方案中，8 -2 的 11111110 位表示，2 +00000010 的表示。

欠采样

欠采样是一种ADC采样速率低于模拟输入频率的技术，这种情况会导致混叠。鉴于奈奎斯特准则，自然可以预期欠采样会导致信号信息丢失。但是，通过正确滤波输入信号并正确选择模拟输入和采样频率，包含信号信息的混叠分量可以从较高频率转换为较低频率，然后进行转换。这种方法有效地将ADC用作下变频器，将更高带宽的信号转移到ADC的目标频段。要使这种技术取得成功，ADC采样保持电路的带宽必须能够处理预期的最高频率信号。

单极的

对于具有单端模拟输入的ADC，单极性输入范围为零电平（通常为地）至满电平（典型基准电压）。对于具有差分输入的ADC，单极性输入范围从零电平到满量程，输入测量为相对于负输入的正输入。

零电平误差

参见失调误差（单极性）。