模数转换器的非线性度

在移除客厅楼梯的地毯后，我注意到原本“一致”的楼梯台阶的进深宽度其实很不均匀。对此，我感到非常惊奇，因为这么多年来我上上下下却从未注意到台阶是不均匀的。这是因为地毯绝妙地掩盖了这个问题。
这让我不禁想到了高分辨率SAR模数转换器(ADC)的问题。我原本以为我家的楼梯是均匀的，就像具有完美对称的量化步进的无噪声ADC的理想转换函数一样。图1为3位ADC的示例。

图1. ADC转换函数——“均匀一致的楼梯”
这让我这个书呆子再次开动脑筋思考，我家里不太完美的楼梯在尺寸上是非线性的（图2），这与ADC代码转换永远不会完全均匀的情况非常类似。ADC的这种不均匀特性主要取决于两个方面，即微分非线性(DNL)误差和积分非线性(INL)误差。这两种误差都是由ADC内部电容器与电阻的内在不匹配性造成的。

图2. ADC非线性——“真实的楼梯”
此外，楼梯地毯的作用就像一层被添加到（和重叠到）ADC转换函数上的直流“转换噪声”（图3）。这种噪声来自包括参考源等在内的ADC内部电路。噪声底限能够隐藏ADC台阶响应的真实非线性形状。

图3. ADC非线性噪声—