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对高分辨率ADC应用中的增益误差和带宽考虑 更新时间：2008年 09月03日浏览次数：2作者：来源：【字体：小大】【收藏】【打印】 想象一下，一个由运算放大器(op amp)所驱动并设置为16位的高分辨率ADC。 为了使该对ADC和放大器达到16位的性能，在其它条件相同的情况下，有必要 使驱动放大器达到一个显着优于1LSB或0.0015%的增益精度。这个精度水平为 选择放大器带来了两个限度，它们都与其增益误差相关联。 与放大器闭环增益相关的两个增益误差来源为： *由于放大器的有限环路增益而引起的增益误差。 *由于不充分的闭环带宽导致的增益误差。 在选择放大器时，这两种误差来源都应该考虑到 。 图1的波德图显示了开环增益(AVO)，回馈衰减因数(B,)噪声增益(1/ B和环 路增益AB或AVQB @DC)间的关系，为非反相运算放大器电路的频率的功能。 在非常低的频率下，开环增益为100dB。这个放大器的主要极点补偿把极点设置 于10Hz与100Hz之间。在一个decade后，这个开环增益的坡度在增长的频度下 为-20dB/decada 环路增益AB被定义为开环增益与闭环增益的差。环路增益在回馈理论中具有一 个特别位置，可以告诉我们正在产生多少可用于控制信号的开环增益。它与电路 的增益误差或精度直接相关。如果一个放大器的开环增益和环路增益很大，那么 回馈信号B VOUT就将变成与输入信号近似相同的拷贝。这就解释了为什么运算 放大器的两个终端在使用大量的负电流回馈时，变得基本相等。回馈越大，回路 增益越大，两个输入之间就越紧密，而所得的差就是增益误差了。注意 AB与开 环增益AVO 一样，取决于频率，随频率的降低而降低。更高的环路增益相当于 更高的精度。 有限开环增益引起的闭环增益误差 量度由有限开环增益引起的误差是简单直接的。在图 1中，开环增益（A B被描述为开环增益和噪声增益间的差。对于一个闭环增益， 噪声增益是40dB,因此，在 AVOB @DC下，这个开环增益为110dB -40dB=70 dB。注意反馈因素B是固定的，但是因为AVO随着频率的降低而降低，那么开 环增益也必须随着频率的降低而降低。因此，由于增益精度或者与其相反的增益 误差是环路增益的一种功能，那么它也是频率的一种功能。在上述的例子中，在 1Hz时的开环增益为70dB，这就显示了 1/1000或者0.03%（12位精度）的增益误 差。然而，在1kHz的频率下，对于一个40dB的开环增益，AVO已降至80dB或 者1.0% （6位精度）。如果放大器作为一个整体增益缓冲器来配置，整体上会达到 开环增益，此时开环增益应该等于 AVO。因此，在1kHz下，我们具有完全的 80dB的开环增益，误差降低到0.01%，这个误差要大于13位精度的误差。然 而，在100kHz下，我们又回到了 1%的误差。这个问题是由于精度随着频率在降 低，误差以20dB/decade的速率迅速积聚。因此对于每 decade的频率增长，误差 以10或10N的形式增长，其中N是取自参考频率增长的decade数量。如果需要 达到更好的性能，那么对应的解决方案是使用一个带有更宽带宽的放大器。 增益平直度误差带来的闭环带宽限制 在高分辨率ADC中，闭环带宽限制闭环精度的考虑至关重要。在任何的闭环配 置中，能够进行预测将非常有益，预测在闭环配置中，一个运算放大器必须具有 什么样的增益带宽带产品以便在一个 ADC的最小分辨率方面取得一个指定的精 度水平。 在一个闭环电路中，闭环增益 AVCL，随着频率的增长而降低。这个曲线的描述 通过下面的公式表述出来： 这个公式描述了根据放大器的-3dB截止频率，在任何感兴趣的频率下的任何闭环 条件的增益及损耗。我们将用一个简单的公式，来根据给定 ADC的最小分辨率 要求描述一个运算放大器的最小闭环带宽。 大多数的运算放大器都借带有一个单极的内部延迟补偿，来为单位增益产生一个 运行良好的增益滚降（roll-off）。若我们以闭环放大器作为第一个滤波器。放大器 的增益将以20dB/decade的速率从它的截止频率到开环反应滚降，中间穿过一个 零dB增益。这是运算放大器的整体增益频率，对于指定放大器它是固定的。如 果运算放大器被配置为一个整体增益放大器，那么它的 -3dB带宽将为FU。FU被 称为放大器的增益带宽乘积（GBWP）。基于这个频率以及开环增益斜率的滚降为- 20dB/decade用下列表达式可以轻松的算出在任何闭环增益中的带宽。 BW = GBWP/ACL 例如，当用一个10V/V或者20dB的ACL进行配置时，带有3MHz GBWP的 LMP2011将有一个300kHz的带宽。 千万不能把这个-3dB频率作为运算放大器带宽的标准。在-3dB频率下，闭环增