АЦП, напряжение первого межкодового перехода Ui должно отстоять от напряжения refi на величину, равную половине шага квантования ХП. Аналогично напряжение последнего межкодового перехода U,i должно отличаться от опорного напряжения ref2 также на половину шага квантования ХП. Для идеального АЦП ширина ступеньки равна шагу квантования:

= (rep2-REr>)/(2"-"

Вообще говоря, твердо установившегося определения прямой ХП нет Прямую проводят как через середины ступеней ХП, так и через точки, соответствующие напряжениям межкодовых переходов, поэтому и такие параметры, как начальная и конечная точки ХП, могут определяться по-разному Для описания их местонахождения в ХП используется термин „заданная точка ХП„ Эта точка определяется заданным значением выходного кода и половиной суммы напряжений U, и соответствую

щих заданному i и следующему за ним (+ 1 межкодовым переходам Частным случаем точек ХП, описывающим ее начало и конец, являются начальная и конечная точки ХП Под начальной точкой ХП (см рис 2 5) понимается точка, определяемая значением напряжения первого межкодового перехода -0,5 ЕМР Конечной точкой ХП является точка, определяемая значением напряжения последнего межкодового перехода + 0,5 ЕМР Интервал значений напряжения от начальной до конечной точки ХП называется диапазоном входного напряжения АЦП

Реальная ХП АЦП может значительно отличаться от идеальной. Эти отличия заключаются в неидентичности шагов квантования, в расположении ХП относительно осей координат, в отклонении ХП от прямой, в неидеальности профиля межкодового перехода. Несоответствие номинальной (идеальной для конкретной реализации АЦП) и действительной характеристик преобразования и определяет точностные параметры АЦП: напряжение смещения нуля; отклонение коэффициента преобразования от номинального значения; нелинейность (интегральную нелинейность); дифференциальную нелинейность; зону неопределенности напряжений межкодовых переходов; монотонность ХП.

Действительное значение входного напряжения в точке ХП, соответствующей номинальному нулевому значению этого напряжения, определяет напряжение смещения нуля. Физически это напряжение показывает параллельный сдвиг ХП вдоль оси абсцисс. Возникновение этой составляющей погрешности обусловлено отклонением сопротивления первого резистора делителя опорных напряжений, включенного между выводом опорного напряжения ИС и входом компаратора, формирующего код ООО...01, от номинального значения, а также наличием напряжения смещения нуля этого и следующего за ним компараторов и погрешностью второго резистора. В реальных системах сопротивление резистора делителя опорных напряжений может составлять десятые доли ома, поэтому добавляемые к сопротивлению первого резистора паразитные конструктивные сопротивления токоподводящей дорожки корпуса, монтажного провода кристалл - корпус, контактные сопротивления сварки могут на порядок превышать сопротивление резистора делителя опорных напряжений, вследствие чего напряжение смещения нуля может составлять несколько ЕМР.

в частном случае отклонение коэффициента преобразования от номинального значения можно характеризовать погрешностью преобразования в конечной точке ХП. Эта погрешность показывает изменение наклона прямой, проведенной через начальную и конечную точки действительной ХП. Природа возникновения этой составляющей погрешности аналогична напряжению смещения нуля, только оценка производится в другом конце делителя.

Нелинейность АЦП - отклонение действительного значения входного напряжения, соответствующего заданной точке ХП, от значения, определяемого по линеаризованной ХП в той же точке. Этот параметр характеризует отклонение центров ступенек действительной ХП от прямой линии, аппроксимирующей номинальную ХП.

Существует большое число методик измерения нелинейности. Рассмотрим две из них, отличающиеся способом проведения прямой, аппроксимирующей номинальную ХП: нелинейность измеряется по отношению к прямой, проведенной через середины ступенек, соответствующих кодам ООО...01 и 11111 ..10 действительной ХП; нелинейность измеряется по отношению к некоторой прямой, проведенной оптимальным образом относительно действительной ХП. Наиболее часто такая оптимизация осуществляется по методу наименьших квадратов. Для параллельных АЦП с разрядностью свыше 6 бит нелинейность измеряется обычно по отношению к оптимизированной прямой, что позволяет в ряде случаев получить результат вдвое лучший, чем по отношению к неоптимизированой прямой. Ввиду большой сложности изготовления и высокой стоимости АЦП такой подход является экономически и технически оправданным, так как при решении прикладных задач, в области аналого-цифрового преобразования имеет значение лишь степень совпадения действительной ХП с некоторой линеаризирующей ее прямой.

Физически природа возникновения нелинейности пара члельного .АЦП об}Словлена случайными и систематическими факторами К случайным факторам относятся разброс напряжений смещения нуля компараторов на кристалле и относительная погрешность резисторов делителя опорных напряжений Управлять этими факторами очень трудно, так как они определяются существующим уровнем технологии К систематическим факторам относится влияние входных токов компараторов на опорные напря жения делителя Напряжение смещение нуля компараторов опре теляется разбросом площадей эмиттеров транзисторов в дифференциальных каскадах компараторов, разбросом их статического коэффициента усиления, поверхностных сопротивлений областей базы и эмиттера, разбросом контактных сопротивлений металлизации к этим областям, а также относительной погрешностью резисторов нагрузки дифференциальных каскадов компараторов Погрешность резисторов делителя опорных напряжений определяется разбросом площадей резисторов по площади кристалла, а также разбросом их толщины и удельного сопротивления (однородности) Искажение опорных напряжений входными токами компараторов пропорционально входным токам компараторов, номинальному значению сопротивления резисторов делителя опорных напряжений и числу разрядов АЦП Методика оценки влияния этих факторов на нелинейность АЦП и конкретные результаты расчетов приведены в гл 9

Дифференциальная нелинейность АЦП - отклонение действительных значений шагов квантования ХП от их среднего значения.

Дифференциальную нелинейность параллельных АЦП, как и нелинейность, определяют те же факторы

Под монотонностью характеристики преобразования АЦП понимается наличие всех кодовых комбинаций на его выходе при подаче на его вход изменяющегося сигнала, при этом знак наклона монотонной ХП изменяться не должен. Монотонность связана с дифференциальной нелинейностью. Характеристика преобразования монотонна, если -1 ЕМР. Равенство 6[и,= - 1 ЕМР означает, .что ширина i-ц ступеньки ХП равна нулю, т. е. код, соответствующий г-й точке ХП, отсутствует. По-иному обстоит дело с положительными значениями дифференциальной нелинейности Если принять напряжение смещения компараторов параллельного АЦП равным нулю, то шаг квантования ХП будет определяться лишь значениями сопротивлений резисторов делителя эталонных напряжений. Предположим, что сопротивление одного из резисторов из-за дефекта оказалось в 2...3 раза больше остальных, соответственно в 2 .3 раза большей окажется и данный шаг квантования ХП, однако при этом пропадания соседних кодов не произойдет, а дифференциальная нелинейность станет равной в этой точке 1...2 ЕМР. Поэтому положительное значение дифференциальной нелинейности в параллельном АЦП с монотонностью ХП не связано. Приведенный пример проиллюстрирован рис 2.6.

В общем случае в параллельном АЦП не имеется однозначной связи между нелинейностью и дифференциальной нелинейностью

HoScci

Код ас I

h,-,siz5m9(s-„O,z5mf),h,„Q0,75m9(Sj-oatm)

10Q00

00001

Urefz Щ

Рис 2 6 Характеристика преобразования АЦП с дифференциальной нелинейностью, превышающей -- 1 ЕМР

/ - aeHCTHHieibHdfl ХП 2- номинатьная ХП

Рис 2 7 Характеристика преобразования АЦП с большой нелинейностью, но малой дифференциальной нелинейностью

/ - действительная ХП J - прямая соответст-в\ю1иая иоминатьной ХП