失調(diào)與增益調(diào)整

問：我想向你請教有關(guān)失調(diào)與增益調(diào)整問題。

答：一般不用調(diào)整，除非你必須調(diào)整。有兩種方法供選擇：(1)使用好用的設(shè)備、 元器件和不需調(diào)整便能滿足要求的電路；(2)利用數(shù)字技術(shù)，對應(yīng)用系統(tǒng)進行軟件調(diào)整修正 。當你考慮到電路設(shè)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(diào)整電位器 (連接到待調(diào)整的器件上)可以調(diào)整掉由此產(chǎn)生的影響，當然還包括附加的技術(shù)處理和復(fù)雜的 調(diào)整要求。

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

答：按正常順序是先調(diào)整輸入端。如果你考慮到被調(diào)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(yīng)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(diào)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(diào)，但這種情況最普 遍。后面將討論輸入失調(diào)與輸出失調(diào)獨立的系統(tǒng)。
從式(3)可以看出，當未知的失調(diào)出現(xiàn)時，直接調(diào)整增益是不合理的，必須首先調(diào)整失 調(diào)。設(shè)IP為零，調(diào)整失調(diào)使OP也為零。然后調(diào)整增益，當輸入接近滿度(FS) 時，調(diào)整增益使輸出符合式(1)。

問：對于雙極性ADC和DAC應(yīng)該如何調(diào)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(yīng)在單極性方式下進行失調(diào)和增益調(diào)整。即使轉(zhuǎn)換器不可能工作在單極性場 合，或者轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器看作失調(diào)很大的單極性轉(zhuǎn)換器(確切地說，失調(diào)為1 MSB，即滿度范 圍的一半)。根據(jù)所使用轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，這種雙極性失調(diào)(BOS)不一定受增益調(diào)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(diào)到接近滿度FS(正滿度或負滿度均可，但通常調(diào)到正滿度) 之后，在模擬零點調(diào)整失調(diào)。對于雙極性失調(diào)，在DAC失調(diào)范圍內(nèi)的情況下，這是一種常用 方法。
如果雙極性失調(diào)不受增益調(diào)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(diào)整失調(diào)，而在正FS(或非常接近FS)調(diào)整增益。大多數(shù)ADC 都采用這種方法，而且DAC的雙極性失調(diào)使用運算放大器和外接電阻，也采用這種方法。當然，總是應(yīng)該按照產(chǎn)品說明中建議的方法進行調(diào)整，但是如果產(chǎn)品說明中沒有給出調(diào) 整方法，通常DAC應(yīng)在模擬零點調(diào)整失調(diào)，而ADC應(yīng)在負FS處調(diào)整失調(diào)或者ADC與DAC都在接近 正FS處調(diào)整失調(diào)。

問：為什么你總強調(diào)“接近”FS?

答：放大器和DAC都在零點和FS處進行調(diào)整。在DAC中，全“1”最大可能數(shù)字 輸入應(yīng)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(diào)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(diào)整首先是將其輸入值設(shè) 置到要求變遷的標稱值，然后調(diào)整ADC輸出直至使其輸出在變遷點對應(yīng)的兩個數(shù)字量之間有 同樣的跳動。因此，ADC的失調(diào)應(yīng)在輸入對應(yīng)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(yīng)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(diào)調(diào)整過程中，在增益誤差和失調(diào)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(diào)整，還會帶來其它異常后果碼 ?
答：同步電壓頻率轉(zhuǎn)換器(SVFC)當其輸出頻率和諧地與其時鐘頻率相關(guān)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(diào)整時會使問題惡化。因此建議SVFC 的增益調(diào)整應(yīng)在FS的95% 附近。
問：“輸入”和“輸出”失調(diào)調(diào)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(diào)IOS、輸出失調(diào)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(diào)整IOS或OOS使總失調(diào)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(diào)整時會得到更好的失調(diào)溫度系數(shù)；但對 于長尾對FET則不必調(diào)整)。如果第一級增益改變，那么IOS與OOS失調(diào)都得重新調(diào)整。
IOS與OOS是一種反復(fù)調(diào)整的過程。在零輸入時，增益設(shè)置到最大，調(diào)整IOS 直至輸出為零。然后增益減到最小，再調(diào)整OOS直到輸出也為零。重復(fù)上述IOS與OOS調(diào)整 過程直至無需進一步調(diào)整為止。在IOS與OOS都未調(diào)整到零之前不應(yīng)調(diào)整增益。在失調(diào)調(diào)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(diào)調(diào)整應(yīng)該采用什么樣的電路?
答：許多放大器(即少數(shù)轉(zhuǎn)換器)都有調(diào)整增益和失調(diào)的端子，但也有許多器件沒有。失調(diào)調(diào)整通常在兩個指定調(diào)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(diào)調(diào) 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(yīng)該連接的電源電壓不同。

在沒有提供單獨的失調(diào)調(diào)整端子的情況下，一般對輸入信號端加一個恒定的失調(diào)調(diào)整量 。有兩種基本失調(diào)調(diào)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(diào)而 不是對系統(tǒng)失調(diào) 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(diào)進行調(diào)整 ，但對于失調(diào)很小的器件，應(yīng)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(diào)整分辨率和減小 功耗。

圖111 兩種失調(diào)調(diào)整方法