数据转换器——佛朗哥Chater2

【注：本文基于《数据转换器》一书进行学习、总结编撰，适合新手小白进行学习】

2.1 数据转换器类别

2.2 工作条件

2.3 转换器性能参数

2.3.1 基本特性参数

2.4 静态性能参数

2.5 动态性能参数

2.6 数字和开关性能参数

2.1 数据转换器类别

转换器类型可以被分为两大类：奈奎斯特率转换器、过采样转换器

区分依据：输入信号是占用大部分可用带宽，还是只占用奈奎斯特区间的一小部分。

奈奎斯特界限与信号带宽之间的比值 $f_{S}/(2f_{B})$ ，被称为过采样率(oversampling ratio，OSR)。过采样率很大的转换器被称为过采样转换器，而奈奎斯特率转换器的过采样率较小，一般小于8。

图2.1示意出了奈奎斯特率转换器和过采样转换器之间的区别。前者的图中抗混叠滤波的过渡区域很小（导致难以实现的性能指标），而且有一大部分量化噪声落在了信号带宽内；相反，在后一图中，抗混叠滤波的过渡区很宽，而且只有一小部分量化噪声出现在信号带宽内。过采样转换器的采样频率显然比奈奎斯特率的要大得多，在某些情况下它的过采样率可高达几百。

2.2 工作条件

数据转换器的性能在很大程度上依赖于它的实验装置。

电源电压和温度是两个重要的工作条件。一个数据转换器除了要满足电路板(PCB)的限制可能会完全掩蔽器件的优异性能。标称电压和室温的要求之外，还要能够适应一定范围内的变化。电源电压需要允许5%甚至以上的波动；温度范围要满足-20℃到85℃（民用）或-55℃到125℃（军用）。在特定电压和温度范围内的器件性能指标并不能严格代表现场应用的器件性能参数。

当测量或使用数据转换器时，确保印刷电路板不对输出结果产生干扰是很重要的。电源耦合及糟糕的接地是关键问题。高性能的数据转换器常常将模拟电源和数字电源的引脚分开，尽管这些引脚在印刷电路板上通常都接到同一个电源上。这种方法能够利用键合线的寄生电感对内部模拟电源和数字电源去耦合。而且，为了得到良好的VDD或者地线，保证外部电源到电源引脚或者地引脚的连接恰当是很必要的。连接焊线(connecting lead)的长度必须尽可能的短：因为它们等效于电感。要仔细设计PCB，避免在 PCB两面形成接地环路，尤其是在射频频率下。两层电路板的结构只适用于低频测量。在高频情况下，要想确保高的信号完整性，往往需要采用含单独分开的接地层与电源层的多层电路板。

由PCB提供的其他重要信号是主时钟信号和基准电压信号。我们知道时钟抖动会降低器件性能。因此，不仅要使用低抖动的信号发生器，而且在相位发生器里保持这个特性也非常重要。印刷电路板上的时钟信号线必须要短，下面要有一个可靠的接地层。这样便形成了一个微带传输线，并使阻抗匹配。当低速数据转换器采用外部电压基准时，有必要使用一个干净的电压产生器，其输出阻抗要足够低，以免其内部的电压波动超过1LSB。然而这点并不容易实现，因为数据转换器工作于离散时间状态下，对电容的充放电会导致很大的脉冲电流。

2.3 转换器性能参数

2.3.1 基本特性参数

模拟信号的类型：数据转换器的模拟输入输出可以是单端型、伪差分型和差分型。单端模拟信号是参照公共“地”，它与转换器的模拟“地”接在一起；伪差分信号相对于一个固定参考电平对称，该固定电平与转换器的模拟“地”不同；而差分信号并不需要相对于一个固定的电平对称，它们是输入或者输出信号中除去共模电平外不相等的那部分信号。
精度：位数，LSB是量化台阶
动态范围：指的是转换器所能处理的最大电压与噪声电压之间的比值，用分贝表示。动态范围决定了最大信噪比。
绝对最大额定参数：指的是器件应用过程的极限值，一旦超过这些参数值，电路的工作能力可能会削弱，电路功能不是必定会受影响。但长期在最大绝对额定参数值下工作，会影响器件的可靠性。最大额定参数分为两类：电气的和环境的。其中，环境类包括工作温度范围，最高芯片温度，焊接温度，最长焊接时间，存储温度范围以及用于机载系统时的震动范围等。
静电放电(ESD)警告(notice)：静电电荷电压可以高达4000V。尽管所有的集成电路都有保护电路，但高能量的静电冲击仍有可能造成电路的永久性损坏。
引脚功能描述及引脚配置
预热时间(Warm-up time)：是器件从上电到稳定工作的推荐等待时间。该参数是考虑到数据转换器在上电后由于温度变化导致的性能变化。
漂移(Drift)：指的是器件的某个参数（如增益、失调和其他静态参数等）在特定温度范围内的变化。其中有：漂移的温度系数，通常用ppm/℃表示；还有漂移的电压系数，通常用ppm/V表示。它们的值可以通过测量器件的参数在最小和最大工作范围内的值，然后将参数的变化量除以相应的温度变化范围计算得到。

2.4 静态性能参数

输入输出传输特性描述了数据转换器的静态性能。理想情况下的输入输出特性呈现出在整个动态范围内是均匀高度的阶梯。图2.2所示为通常位数的转换器开始部分的转换特性。如果第一级和最后一级阶梯宽度为A/2，那么△的计算是用满刻度范围除以(2"—1)得到的，而不是除以2”。图2.2同时说明量化间隔可以由数字码或者阶梯的中点表示出。同时，图2.2还给出了量化误差。可见，量化误差的范围在±△/2间，在阶梯中点处等于零。

偏离理想转换曲线的输出结果如图2.3所示。图2.3(a)示意的是几乎随机变化的量化间隔，在任意相邻的误差之间没有相互关系。图中还画出了一条插值曲线，它是一条从原点到满刻度点的直线。图2.3(b)所示的转换特性在曲线开始时量化间隔较小，而曲线末端的量化间隔较大。结果，插值曲线偏离了直线，导致失真响应。这些特性由积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)定量表示。