失调与增益调整问题分析

问：我想向你请教有关失调与增益调整问题。

答：一般不用调整，除非你必须调整。有两种方法供选择：(1)使用好用的设备、 元器件和不需调整便能满足要求的电路；(2)利用数字技术，对应用系统进行软件调整修正 。当你考虑到电路设计、温度、振动和寿命对性能和稳定性的影响时，有时使用调整电位器 (连接到待调整的器件上)可以调整掉由此产生的影响，当然还包括附加的技术处理和复杂的 调整要求。

问：我大概明白了一些，那么请你详细地说一下我应该如何调整模拟电路中的失调 误差和增益误差?

答：按正常顺序是先调整输入端。如果你考虑到被调整电路的传输特性，那么通 常使用直接方法。线性模拟电路简化的理想传输特性(例如放大器、ADC或DAC)由下式给出：
OP=K×IP(1)
其中OP为输出，IP为输入，K为比例因子。应该注意的是，上述简化形式蕴含着许多问 题：ADC的量化误差，当输入和输出形式不同(如输入为电压，输出为电流)时K的量纲问题， 故意偏置及其它问题。在实际(非理想)电路中，折合到输入端的失调误差和增益误差分别为OS和ΔK,从而上述 公式还可写成：
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，因为它们仅考虑了输入失调，但这种情况最普 遍。后面将讨论输入失调与输出失调独立的系统。
从式(3)可以看出，当未知的失调出现时，直接调整增益是不合理的，必须首先调整失 调。设IP为零，调整失调使OP也为零。然后调整增益，当输入接近满度(FS) 时，调整增益使输出符合式(1)。

问：对于双极性ADC和DAC应该如何调整?

答：许多ADC和DAC可在单极性和双极性工作方式之间进行切换，这种器件不论 用于何种场合都应在单极性方式下进行失调和增益调整。即使转换器不可能工作在单极性场 合，或者转换器仅工作在双极性的场合，或者在其它情况下都是如此。

可以把双极性转换器看作失调很大的单极性转换器(确切地说，失调为1 MSB，即满度范 围的一半)。根据所使用转换器的结构，这种双极性失调(BOS)不一定受增益调整的影响。如 果受到影响，那么公式(1)可写成：
OP=K×(IP-BOS)(4)
在这种情况下，其增益调到接近满度FS(正满度或负满度均可，但通常调到正满度) 之后，在模拟零点调整失调。对于双极性失调，在DAC失调范围内的情况下，这是一种常用 方法。
如果双极性失调不受增益调整的影响，那么公式(1)可写成：
OP=K×IP-BOS(5)
在这种情况下，在负FS调整失调，而在正FS(或非常接近FS)调整增益。大多数ADC 都采用这种方法，而且DAC的双极性失调使用运算放大器和外接电阻，也采用这种方法。当然，总是应该按照产品说明中建议的方法进行调整，但是如果产品说明中没有给出调 整方法，通常DAC应在模拟零点调整失调，而ADC应在负FS处调整失调或者ADC与DAC都在接近 正FS处调整失调。

问：为什么你总强调“接近”FS?

答：放大器和DAC都在零点和FS处进行调整。在DAC中，全“1”最大可能数字 输入应该产生低于“满度”1 LSB 的输出，这里的“满度”认为是某一常数乘以基准。因此 DAC的输出是基准电压与数字输入的归一化乘积。ADC不在零点和FS处调整。理想的ADC输出是被量化的，而且第一个输出变迁点(从00… 00到00…01)发生在全0标称值以上1/2 LSB。随后相继的变迁点均发生在模拟输出每增加1 L SB处直至最后一个变迁点发生在FS以下1/2 LSB 处。非理想ADC的调整首先是将其输入值设 置到要求变迁的标称值，然后调整ADC输出直至使其输出在变迁点对应的两个数字量之间有 同样的跳动。因此，ADC的失调应在输入对应第一个变迁点(即零点或-FS以上1/2 LSB，它“接近” 零点或“接近”-FS)，而增益则应在最后一个变迁点(即正+FS以下1 1/2 LSB，它“接近”+ FS)。这种方法虽然在失调调整过程中，在增益误差和失调误差之间会产生一定的相互影响 ，但是小得微不足道。

问：要求在“接近”FS而又不在FS处进行调整，还会带来其它异常后果码 ?
答：同步电压频率转换器(SVFC)当其输出频率和谐地与其时钟频率相关时，即 其输出频率非常接近时钟频率的1/2，1/3或1/4时，容易出现注入锁相(injection locking) 现象。SVFC的FS等于1/2时钟频率。在这种情况下进行调整时会使问题恶化。因此建议SVFC 的增益调整应在FS的95% 附近。
问：“输入”和“输出”失调调整对电路有什么要求?
答：像仪表放大器和隔离放大器这种电路通常都有两级直流增益，而且输入级 增益是可变的。所以两级放大器具有输入失调IOS、输出失调OOS，第一级增益K和输出级单 位增益，在零输入时输出OP为：
OP=OOS+K×IOS(6)
由式(6)显然可以看出，如果增益恒定，我们仅调整IOS或OOS使总失调为零(另外， 如果输入 级采用长尾对双极型晶体管，当对IOS和OOS都进行调整时会得到更好的失调温度系数；但对 于长尾对FET则不必调整)。如果第一级增益改变，那么IOS与OOS失调都得重新调整。
IOS与OOS是一种反复调整的过程。在零输入时，增益设置到最大，调整IOS 直至输出为零。然后增益减到最小，再调整OOS直到输出也为零。重复上述IOS与OOS调整 过程直至无需进一步调整为止。在IOS与OOS都未调整到零之前不应调整增益。在失调调整过 程中对于实际增益数值的高或低并不重要。

问：对于增益和失调调整应该采用什么样的电路?
答：许多放大器(即少数转换器)都有调整增益和失调的端子，但也有许多器件没有。失调调整通常在两个指定调整端之间接一个电位器，其滑动端(有时经过一只电阻)接 到电源的一端。正确的接线及选用元件的数值请见所用器件的产品说明。运算放大器失调调 整中最常见的一个差别就是校正电位器的偏移值不同以及应该连接的电源电压不同。

在没有提供单独的失调调整端子的情况下，一般对输入信号端加一个恒定的失调调整量 。有两种基本失调调整方法，如图111(a)和111(b)所示。当系统使用差 分输入运算放大 器作为反相器(最常见)的情况下，使用图111(a)所示的方法对器件失调而 不是对系统失调 作修正最合适。在单端输入方式中，方法111(b)用来对系统失调进行调整 ，但对于失调很小的器件，应该尽量 避 免使用这种方法，因为常需要(与信号输入电阻相比)很大阻值的求和电阻，目的在于：(1) 避免求和点输入信号过大；(2)保持适当的比例修正电压并且把差分电源电压漂移的影响衰 减到最小。另外在两个电源与电位器之间连接一个电阻，常常有助于增加调整分辨率和减小 功耗。

图111 两种失调调整方法