失調與增益調整方法

問：我想向你請教有關失調與增益調整問題。

答：一般不用調整，除非你必須調整。有兩種方法供選擇：(1)使用好用的設備、 元器件和不需調整便能滿足要求的電路；(2)利用數(shù)字技術，對應用系統(tǒng)進行軟件調整修正 。當你考慮到電路設計、溫度、振動和壽命對性能和穩(wěn)定性的影響時，有時使用調整電位器 (連接到待調整的器件上)可以調整掉由此產(chǎn)生的影響，當然還包括附加的技術處理和復雜的 調整要求。

問：我大概明白了一些，那么請你詳細地說一下我應該如何調整模擬電路中的失調 誤差和增益誤差?

答：按正常順序是先調整輸入端。如果你考慮到被調整電路的傳輸特性，那么通 常使用直接方法。線性模擬電路簡化的理想傳輸特性(例如放大器、ADC或DAC)由下式給出：
OP=K×IP(1)
其中OP為輸出，IP為輸入，K為比例因子。應該注意的是，上述簡化形式蘊含著許多問 題：ADC的量化誤差，當輸入和輸出形式不同(如輸入為電壓，輸出為電流)時K的量綱問題， 故意偏置及其它問題。在實際(非理想)電路中，折合到輸入端的失調誤差和增益誤差分別為OS和ΔK,從而上述 公式還可寫成：
OP=(K+ΔK)×(IP+OS)(2)
OP=K×IP+K×OS+ΔK×IP+ΔK×OS(3)
方程(2)和(3)是不完整的，因為它們僅考慮了輸入失調，但這種情況最普 遍。后面將討論輸入失調與輸出失調獨立的系統(tǒng)。
從式(3)可以看出，當未知的失調出現(xiàn)時，直接調整增益是不合理的，必須首先調整失 調。設IP為零，調整失調使OP也為零。然后調整增益，當輸入接近滿度(FS) 時，調整增益使輸出符合式(1)。

問：對于雙極性ADC和DAC應該如何調整?

答：許多ADC和DAC可在單極性和雙極性工作方式之間進行切換，這種器件不論 用于何種場合都應在單極性方式下進行失調和增益調整。即使轉換器不可能工作在單極性場 合，或者轉換器僅工作在雙極性的場合，或者在其它情況下都是如此。

可以把雙極性轉換器看作失調很大的單極性轉換器(確切地說，失調為1 MSB，即滿度范 圍的一半)。根據(jù)所使用轉換器的結構，這種雙極性失調(BOS)不一定受增益調整的影響。如 果受到影響，那么公式(1)可寫成：
OP=K×(IP-BOS)(4)
在這種情況下，其增益調到接近滿度FS(正滿度或負滿度均可，但通常調到正滿度) 之后，在模擬零點調整失調。對于雙極性失調，在DAC失調范圍內(nèi)的情況下，這是一種常用 方法。
如果雙極性失調不受增益調整的影響，那么公式(1)可寫成：
OP=K×IP-BOS(5)
在這種情況下，在負FS調整失調，而在正FS(或非常接近FS)調整增益。大多數(shù)ADC 都采用這種方法，而且DAC的雙極性失調使用運算放大器和外接電阻，也采用這種方法。當然，總是應該按照產(chǎn)品說明中建議的方法進行調整，但是如果產(chǎn)品說明中沒有給出調 整方法，通常DAC應在模擬零點調整失調，而ADC應在負FS處調整失調或者ADC與DAC都在接近 正FS處調整失調。

問：為什么你總強調“接近”FS?

答：放大器和DAC都在零點和FS處進行調整。在DAC中，全“1”最大可能數(shù)字 輸入應該產(chǎn)生低于“滿度”1 LSB 的輸出，這里的“滿度”認為是某一常數(shù)乘以基準。因此 DAC的輸出是基準電壓與數(shù)字輸入的歸一化乘積。ADC不在零點和FS處調整。理想的ADC輸出是被量化的，而且第一個輸出變遷點(從00… 00到00…01)發(fā)生在全0標稱值以上1/2 LSB。隨后相繼的變遷點均發(fā)生在模擬輸出每增加1 L SB處直至最后一個變遷點發(fā)生在FS以下1/2 LSB 處。非理想ADC的調整首先是將其輸入值設 置到要求變遷的標稱值，然后調整ADC輸出直至使其輸出在變遷點對應的兩個數(shù)字量之間有 同樣的跳動。因此，ADC的失調應在輸入對應第一個變遷點(即零點或-FS以上1/2 LSB，它“接近” 零點或“接近”-FS)，而增益則應在最后一個變遷點(即正+FS以下1 1/2 LSB，它“接近”+ FS)。這種方法雖然在失調調整過程中，在增益誤差和失調誤差之間會產(chǎn)生一定的相互影響 ，但是小得微不足道。

問：要求在“接近”FS而又不在FS處進行調整，還會帶來其它異常后果碼 ?
答：同步電壓頻率轉換器(SVFC)當其輸出頻率和諧地與其時鐘頻率相關時，即 其輸出頻率非常接近時鐘頻率的1/2，1/3或1/4時，容易出現(xiàn)注入鎖相(injection locking) 現(xiàn)象。SVFC的FS等于1/2時鐘頻率。在這種情況下進行調整時會使問題惡化。因此建議SVFC 的增益調整應在FS的95% 附近。
問：“輸入”和“輸出”失調調整對電路有什么要求?
答：像儀表放大器和隔離放大器這種電路通常都有兩級直流增益，而且輸入級 增益是可變的。所以兩級放大器具有輸入失調IOS、輸出失調OOS，第一級增益K和輸出級單 位增益，在零輸入時輸出OP為：
OP=OOS+K×IOS(6)
由式(6)顯然可以看出，如果增益恒定，我們僅調整IOS或OOS使總失調為零(另外， 如果輸入 級采用長尾對雙極型晶體管，當對IOS和OOS都進行調整時會得到更好的失調溫度系數(shù)；但對 于長尾對FET則不必調整)。如果第一級增益改變，那么IOS與OOS失調都得重新調整。
IOS與OOS是一種反復調整的過程。在零輸入時，增益設置到最大，調整IOS 直至輸出為零。然后增益減到最小，再調整OOS直到輸出也為零。重復上述IOS與OOS調整 過程直至無需進一步調整為止。在IOS與OOS都未調整到零之前不應調整增益。在失調調整過 程中對于實際增益數(shù)值的高或低并不重要。

問：對于增益和失調調整應該采用什么樣的電路?
答：許多放大器(即少數(shù)轉換器)都有調整增益和失調的端子，但也有許多器件沒有。失調調整通常在兩個指定調整端之間接一個電位器，其滑動端(有時經(jīng)過一只電阻)接 到電源的一端。正確的接線及選用元件的數(shù)值請見所用器件的產(chǎn)品說明。運算放大器失調調 整中最常見的一個差別就是校正電位器的偏移值不同以及應該連接的電源電壓不同。

在沒有提供單獨的失調調整端子的情況下，一般對輸入信號端加一個恒定的失調調整量 。有兩種基本失調調整方法，如圖111(a)和111(b)所示。當系統(tǒng)使用差 分輸入運算放大 器作為反相器(最常見)的情況下，使用圖111(a)所示的方法對器件失調而 不是對系統(tǒng)失調 作修正最合適。在單端輸入方式中，方法111(b)用來對系統(tǒng)失調進行調整 ，但對于失調很小的器件，應該盡量 避 免使用這種方法，因為常需要(與信號輸入電阻相比)很大阻值的求和電阻，目的在于：(1) 避免求和點輸入信號過大；(2)保持適當?shù)谋壤拚妷翰⑶野巡罘蛛娫措妷浩频挠绊懰?減到最小。另外在兩個電源與電位器之間連接一個電阻，常常有助于增加調整分辨率和減小 功耗。

圖111 兩種失調調整方法