信号链直流误差

news2024/11/16 5:23:03

1 简介

在信号链中，可能会累积的误差有两类：直流和交流误差。直流或静态误差（如增益和失调误差）有助于了解信号链的精度或灵敏度。交流类误差也称为噪声和失真，限制着系统的性能和动态范围。这两类误差都需要了解，因为二者最终决定着系统的分辨率。

接下来将专门分析直流误差，根据其与无源和有源器件的关系，对每种不精确性进行细分。如下图的简单数据采集系统，该系统存在两个放大器级、一个多路复用器和一个ADC。

第一级是一个简单的差分放大器，增益为4，输入阻抗为500Ω，设置电容是为了进行可选的滤波处理。

第二级是接受差分放大器的输出信号输入的多路复用器，每个输入通道有一个导通电阻Ron，该电阻可减小多路复用器通道切换导致的电荷反冲。

第三级是个单位增益缓冲级放大器，使用电阻是为了减少输入偏置电流不平衡。

第四级是转换器，使用串行电阻是为了缓冲或抑制放大器与转换器之间的信号，加大这两个器件之间的电阻。结果会减少从转换器反冲到放大器的电荷，非常像多路复用器。这也有助于放大器输出建立，并防止其发生振动。

电容提供了一个简单的低通抗混叠滤波器（AAF），可衰减目标频带之外的信号和噪声。最后，上拉和下拉二极管可增添输入保护功能，可防止有可能被施加到转换器输入端的极端过载信号导致的任何故障状况。

2 直流误差分析

前面介绍了信号链所有组件，接下来讨论各级的无源误差和有源误差。

2.1 直流无源误差

所有无源组件都有误差，尤其是电阻。表面上看，电阻似乎是比较简单的器件，但实际上，如果其规格不符合设计要求，则在整个信号链中都有可能导致误差。

阻性直流误差源于不理想的电阻容差，简单的制定容差值是不够的。对于给定的信号链指定电阻类型时，至少要注意是个至关重要的技术规格。

值容差，单位通常为%
温度系数或漂移，单位通常为ppm/℃
寿命漂移或合格性，通常以指定小时数内的%为单位
值容差比，当网络中或同一封装中有两个或以上的电阻且值匹配时，值容差以%为单位

为了说明电阻误差如何累积起来的，例如：建设有一个100Ω的电阻，其值容差为1%，温度漂移为100ppm/℃，寿命容差为5%，则在5000小时的寿命周期内，在85℃的温度范围内，其电阻为93.15Ω至106.85Ω：

总容差 (RVALUE + RTOL + RCOEFF + RLIFE )

= (RVALUE + ((RTOL / 100) × RVALUE) +(((RCOEFF × 0.000001) × 温度范围) × RVALUE ) + ((RLIFE / 100) × RVALUE ))

= 94 Ω 至 106 Ω

来之不易的信息边注：有些组件的寿命周期只有1000小时，但设计的要求可能要长得多，比如，10,000小时。为了解决这个问题，不要将1000小时乘以8.77 (8766小时/年)；这样做太过悲观了。任何精密模拟电路中的长期漂移都会有一定的“随机游动”量。正确的做法是用此数值的平方根，即 √ 8.766 = ~3，再乘以1000小时的温漂。因此，10000小时的寿命周期为： √ （10000 / 1000）= 3.16 × 1000小时温漂。

需要注意的是，电容和电感也有误差。但是这些误差通常可以忽略不计，在这类直流分析里并无多大的价值。另外，这些器件实际上是无功器件（电流相位和电压相位正交，P = I * V = 0），对滤波和带宽容差的影响最大，本文的直接分析里同样没有考虑这点。