处理模拟电路中的不准确性

文章作者:Bill Schweber

当然，没有一个电路或系统是完美的，所以真正的问题是“它对应用来说是否足够好?”这是一个问题和困境——通常涉及哲学方面——[许多模拟设计师在初始设计、正式审查和验证过程中都在努力解决这个问题]，尤其是当模拟电路涉及传感器及其信号调理时。

首先，在特定情况下，量化“足够好”的含义是一个挑战。其次，一个简单的目标，例如“准确度为0.1%”，是非常罕见的，因为准确度和误差有很多种:最坏情况和典型的非线性、失真和各种人为因素可能会导致一些有趣的、经常是激烈的讨论，比如哪些规格是重要的，以及它们如何与情境相关。此外，为了评估温度的影响，甚至组件过热，您几乎总是必须考虑电子和机械元件可能看到的温度范围。

当目标是激进的，并且精度和性能规格很严格时，设计师必须着眼于多条成功路径。通常有三种方法，它们可以单独使用或并行使用:

1)校准传感器和通道，可以一次性预先或在持续使用中。这似乎很合理，但说起来容易做起来难。一般来说，传感器很难校准，特别是一旦它们在现场。毕竟，如何校准温度传感器呢?你必须将受控的热源带到传感器上，描述传感器和通道的性能，然后将校准数字输入系统。如果更换了传感器，你可能需要重新进行这一过程。

这里有一些关于传感器和通道校准的好消息。一些MEMS传感器，如加速度计，具有直接刺激传感元件的功能，就像它受到外部影响一样，这提供了一定程度的保证。

2)使用更好、更精确的零件，并尽量减少零件中的误差来源。对精度的需求是精密运放仍然有巨大市场的原因，这些运放具有超低偏置电流、偏置电压、噪声和温度相关漂移。有时候，花几美元买个顶级的，

然而，并不是所有的改进都能轻松实现，而且成本适中、定义明确，额外的设计工作需求也很小。对于最高性能的振荡器，该单元可能是温度补偿版本(称为TXCO)，甚至是在一个控制烤箱(OCXO)。在许多情况下，消除固有的一阶、二阶甚至三阶误差源的努力是相当令人印象深刻的，正如麻省理工学院出版社(MIT Press)的优秀著作《发明准确性:核导弹制导的历史社会学》(Inventing Accuracy: A Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance)中所指出的那样，作者是唐纳德·麦肯奇(Donald MacKenzie)，见图1。

图1:这本书提供了制导和导航技术之间的相互作用和周围的地缘政治气氛的独特见解。
(来源:麻省理工学院出版社)

他解释说，当导弹制导需要经典的旋转旋翼陀螺的最终性能时，第一步是用加压气体转子轴承取代机械球轴承，这种轴承在高速下的性能甚至比最好的球轴承更好。下一步是将转子“漂浮”在高密度硅流体中，以产生中性浮力，最大限度地减少重力对转子的影响。最后，为了消除由温度引起的流体密度变化所导致的三阶误差，整个浮动组件被放置在一个温度控制的外壳中。这是一些认真的努力，以消除误差来源，从中等到几乎不可测量。

然而，有时一开始很难确定错误的来源，甚至更难消除。最近在《微波杂志》上发表的一篇文章“测量石英晶体振荡器的g灵敏度”，很清楚地说明了这一点，因为它讨论了测量各种加速度对振荡器晶体的影响所面临的挑战，这些加速度包括单向常数、振动、冲击、位移，以及基本的倾斜和旋转，在x-，y - z-planes。在某些应用中，在操作过程中，仅仅将单元翻转或侧向移动，就会在晶体和振荡器共振中产生微小但不可接受的位移。

3)最后，还有一种工程师喜欢的提高准确性的方法，尽管这通常是不可能的:自我取消。有时，通过巧妙的电路拓扑或组件安排，有可能有错误跟踪源，并相互抵消。这是比率测量流行的众多原因之一，以优雅简单的惠斯通电桥为代表，在电桥臂中使用相同的组件可以“自由”消除一些重要类型的错误，如图2所示。

图2:经典的惠斯通桥配置仍然广泛使用，因为它的简单和多功能性，尽管有近200年的历史。
(来源:欧米茄工程公司)

自抵消的概念也用于差动线路驱动器、传输线和接收器，而不是单端链路。其想法是，外部噪声将在两条直线上产生，因此与之的差值为零(理想情况下)，因此自消。虽然这并不能在实践中消除100%的噪声，但它可以以很小的增量成本将其衰减几十分贝。

你用了什么技术和战术来提高准确度?你有没有找到一个你一直喜欢的?