理解模数转换器的噪声

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1、ADC的主要趋势之一是分辨率越来越高。这一趋势影响各种应用，包括工厂自动 化、温度检测和数据采集。对更高分辨率的需求正促使设计者从传统的12位逐次逼近寄存 器（SAR） ADC转至分辨率高达24位的 -Z ADC。所有的ADC都会具有一定的噪声，这包括输入参考噪声（ADC固有噪声）和量化噪声 （ADC转换时产生的噪声）。诸如噪声、ENOB （有效位数）、有效分辨率和无噪声分辨率 等指标在很大程度上定义了 ADC的实际精度。所以，理解与噪声相关的性能指标是从SAR 过渡至 -Z ADC最困难的方面之一。由于当前对更高分辨率的迫切需求，设计者必须更好 地理解ADC噪声、ENOB、有效分辨率，以及信

2、噪比（SNR）。本文的目的正基于此。 -Z ADC的更高分辨率和价值在过去，12位SAR ADC通常足以满足各种信号和电压输入的测量。如果应用中需要更 为精细的测量，可在ADC之前增加增益级或可编程增益放大器（PGA）。分辨率为16位时，设计者的选择仍然主要是SAR ADC，但也包括部分 -Z ADC。然 而，对于需要16位以上分辨率的设计， -Z ADC则更为普遍。SAR ADC目前受限于18位, 而 -Z ADC则延伸至18、20和24位。 -Z ADC还有其它优势。其价格在过去10年中已 大幅下降，使用越来越简单，已被广泛接受。有效分辨率有效分辨率由下式定义（以位为单位）：有效分辨率=I

3、og2 满幅输入电压范围/ADC RMS噪声或更为简单：有效分辨率=log2 VIN/VRMS NOISE切勿将有效分辨率与ENOB相混淆，尽管两者听起来非常类似。测量ENOB的最常见 方法是对ADC的正弦波输入进行FFT分析。IEEE （r）标准1057将ENOB定义为：ENOB = log2 满幅输入电压范围/ （ADC RMS噪声X V12）SINAD定义为信噪比加失真比。SINAD和ENOB用于衡量ADC的动态性能。所以：SINAD = RMS输入电压/RMS噪声电压式中，RMS 噪声=1/M eq1。式中，EAVM =剩余XAVM，XAVM （FM）为DFT之后规定离散频率下的平均幅

4、度谱 分量。有效分辨率和无噪声分辨率本质上衡量ADC在直流下的噪声性能，此时频谱失真 （THD、SFDR）无关紧要。知道ADC的噪声和输入范围后，计算有效分辨率和无噪声分辨率就很简单。ADC的输入电压范围基于参考电压。如果ADC集成PGA，也会影响电压范围。有些 吃ADC包括PGA,以放大小信号。最新带PGA的ADC往往规定噪声小于10OnVRMS。 尽管这些噪声系数与旧式ADC相比看起来很吸引人，但往往基于非常小的输入范围。这是 因为小的输入范围最终会放大至适合更宽、基于参考电压的ADC有效范围。所以，尽管这 些带PGA的ADC的噪声看起来很小，但有效分辨率和无噪声分辨率可能并不像无PGA的

5、 ADC那么好。简单举例说明oPGA设置为128的24位ADC，参考电压为2.5V，输入范围为(VREF/PGA(2.5V/128 = 39.1mV)时，噪声为70nVRMS。因此，有效分辨率为:Iog2 VIN/VRMS NOISE = Iog2 39.1mV/70 nV = 19.1 位使用相同的ADC，PGA设置为1时，噪声上升至1.53(VRMS。输入范围为5V (2.5V/1) 时，有效分辨率变为21.6位。最佳方法是参阅ADC的数据资料，检查您所需的输入范围。无噪声分辨率无噪声分辨率采用峰-峰电压噪声，而非RMS噪声。无噪声分辨率由下式定义，单位 也为位：无噪声分辨率=log2 满

6、幅输入电压范围/ADC峰-峰噪声无噪声分辨率=log2 VIN/VP-P NOISEo无噪声分辨率有时候也称为无闪烁分辨率。以实验室中的51/2或61/2数字多用表为例考 虑这一指标。如果显示屏上的最后一位稳定且无闪烁，数据输出字则优于系统的噪声水平。以波峰因子6.6为例，峰-峰噪声为RMS噪声的6.6倍。因此，有效分辨率比无噪声分辨 率高2.7位。采用以上相同的噪声和参考值，无噪声分辨率为18.9位。无噪声计数无噪声计数是高精度系统的另一指标，用于评估ADC性能。对于那些可能需要50, 000 个无噪声计数的应用，例如电子秤，尤其如此。可将无噪声分辨率乘以系数2N，通过转换 计算得到该值。以

7、10位ADC为例。采用210，理想10位ADC的无噪声计数为1, 024。理想12位ADC 的无噪声字数为4, 096o同理，采用以上相同的无噪声分辨率，得到的无噪声计数为218.9 或489, 178o吃ADC过采样吃ADC的优势之一是其过采样架构。这意味着内部振荡器/时钟的工作频率远高于输 出数据速率(也称为吞吐率)有些 -z ADC可改变输出数据速率。这样设计者可将采样 优化为速度较高、噪声性能较差；或者优化为速度较低并带更多滤波、噪声整形(将噪声移 至感兴趣测量区域之外的频带)及噪声性能更好。许多最新的 -Z ADC以表格形式提供有 效分辨率和无噪声分辨率结果，很容易比较优缺点。表1所

8、示为示例ADC在双极性输入模式和单极性模式下的数据率、噪声、无噪声分辨 率(NFR)和有效分辨率。ADC为MAX11200, 24位器件，能够测量双极性(VREF)或 单极性（0V至VREF）输入。MAX11200工作于2.7V至3.6V单电源，基准可最大偏置至电 源。双极性值基于最大输入范围土3.6V；单极性测量基于0V至3.6V输入范围。MAX11200的内部振荡器可由软件设置为2.4576MHz,在较低数据率下可提供60Hz抑 制；或者设置为2.048MHz,在较低数据率下可提供50Hz抑制。无论哪种数据率，ADC噪 声相同。因此，无噪声分辨率和有效分辨率值相一致。可施加外部振荡器，实现

9、55Hz限波， 很好地抑制50Hz和60Hz。表1中详细列出的一项关键因素是双极性有效分辨率。由于输出数据字长度为24位，所 以该指标限制为最大24位。在3组最低数据率设置下，如果ADC在串行接口上可输出超过 24位的话，那么ADC的噪声水平可低至使有效分辨率优于24位。有效分辨率总比无噪声分辨率好2.7位，除非受限于数据输出字。 表1. MAX11200采样率与噪声关系表。声 (PW.无囁声 分擀率（性）有敦 廿荔率（位）分菇率（也）*10.S30.2122J24.021.3242.52.CS0.2722.0202L023.754.1721424.020.423.1W8,330.5720.9

10、23.619.922.61512.5W20.523.219. 522.230251.0320.022J19.021J60501-4519-522.218,. 521.21201002.2119.021.718,020.7jjJSJSOHl噪声整形和滤波，实现更低噪声和更优分辨率除过采样外，噪声整形可使 -Z ADC实现表1所示的低噪声和高精度。如图1至3所示。 图1所示为标准ADC的量化噪声。图2给出的ADC包括过采样、数字滤波和抽样。采用过 采样的大部分ADC核心为 -Z。过采样N倍将噪声延展至更宽的频带，而数字（sinc） 滤波器滤除了相当部分的噪声。IJ01SEAMPLITUDEQUAN

11、TIZATION MOISESA.M PL l-.图1.标准ADC噪声性能图2. ADC采用N倍过采样、数字滤波器和抽样。图3给出的辽 调制器与图2具有相同的框图，再加上噪声整形。通过将噪声不均匀地 移至较高频率，感兴趣频带内的噪声变得极低。这样的技术使得吃ADC制造商可以获 得小于1 (VRMS的噪声系数。DECIMAL图3. ADC采用N倍过采样、噪声整形、数字滤波器和抽样。感兴趣的ADC输入频带 内的噪声（绿色区域）变得非常小。结论吃ADC具有过采样能力和固有的低噪声，是需要较高分辨率系统设计中的极佳选 择。由于设计者必须处理更小的信号，所以充分理解ADC噪声、有效分辨率、ENOB和无 噪声分辨率就成为选择正确ADC方案中不可缺少的一部分。