干貨滿滿！模數(shù)轉(zhuǎn)換器如何選擇？
在選擇器件時(shí)，我們常常會(huì)對(duì)DATASHEET上的技術(shù)指標(biāo)有所取舍，畢竟不是每一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都對(duì)自己想要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)目標(biāo)造成影響，而對(duì)于ADC來(lái)說(shuō)，信噪比(SNR)，毫無(wú)疑問(wèn)是人們重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。
模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)是一種將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)/設(shè)備，在人機(jī)交互領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。ADC可以提供隔離的測(cè)量，例如將輸入的模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換為與電壓或電流幅度成正比的數(shù)字。在實(shí)際應(yīng)用中，ADC的選型也是一個(gè)相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。
那么除了信噪比之外，其他的技術(shù)指標(biāo)對(duì)于我們的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)又會(huì)產(chǎn)生哪些影響呢?
01
分辨率
分辨率，可能是最易被誤解的技術(shù)指標(biāo)，它表示輸出位數(shù)，但不提供性能數(shù)據(jù)。部分?jǐn)?shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)列出有效位數(shù)(ENOB)，它使用實(shí)際SNR測(cè)量來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)換器的有效性。一種更加有用的轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)是噪聲頻譜密度(NSD)，單位為dBm/Hz或HznV。NSD可以通過(guò)已知的采樣速率、輸入范圍、SNR和輸入阻抗計(jì)算得出(dBm/Hz)。已知這些參數(shù)，便可選擇一款轉(zhuǎn)換器來(lái)匹配前端電路的模擬性能，這種選擇ADC的方法比僅僅列出分辨率更有效。
許多用戶還會(huì)考慮雜散和諧波性能，這些都與分辨率無(wú)關(guān)，但轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員一般要調(diào)整他們的設(shè)計(jì)，使諧波與分辨率相一致。
02
電源抑制(PSR)
電源抑制(PSR)測(cè)量電源紋波如何與ADC輸入耦合，顯現(xiàn)在其數(shù)字輸出上。如果PSR有限，相對(duì)于輸入電平，電源線上的噪聲將僅會(huì)受到30至50 dB的抑制。
一般而言，電源上的無(wú)用信號(hào)與轉(zhuǎn)換器的輸入范圍相關(guān)。例如，如果電源上的噪聲是20 mV rms ，而轉(zhuǎn)換器輸入范圍是0.7 Vrms，，則輸入上的噪聲是–31 dBFS。如果轉(zhuǎn)換器的PSR為 30 dB，則相干噪聲會(huì)在輸出中顯現(xiàn)為一條–61 dBFS譜線。在確定電源將需要多少濾波和去耦時(shí)，PSR尤其有用，PSR在醫(yī)療應(yīng)用或工業(yè)應(yīng)用等高噪聲環(huán)境中非常重要。
圖1.電源紋波抑制比(PSRR)vs.頻率
03
共模抑制(CMR)
共模抑制(CMR)測(cè)量共模信號(hào)存在時(shí)所引起的差模信號(hào)。許多ADC采用差分輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)共模信號(hào)的高抗擾度，因?yàn)椴罘州斎虢Y(jié)構(gòu)本身能抑制偶數(shù)階失真產(chǎn)物。
與PSR一樣，電源紋波、接地層上產(chǎn)生的高功率信號(hào)、混頻器和RF濾波器的RF泄漏以及能夠產(chǎn)生高電場(chǎng)和磁場(chǎng)的應(yīng)用會(huì)引入共模信號(hào)，雖然許多轉(zhuǎn)換器未規(guī)定CMR，但他們通常具有50至80 dB的CMR。
04
時(shí)鐘相關(guān)技術(shù)指標(biāo)
時(shí)鐘相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，盡管比較重要，但并不總是作出規(guī)定，而且可能難以確定。
圖2. 輸入時(shí)鐘與采樣噪聲的關(guān)系
05
時(shí)鐘壓擺率
時(shí)鐘壓擺率是實(shí)現(xiàn)額定性能所需的最小壓擺率。多數(shù)轉(zhuǎn)換器在時(shí)鐘緩沖器上有足夠的增益，以確保采樣時(shí)刻界定明確，但如果壓擺率過(guò)低使得采樣時(shí)刻很不確定，將產(chǎn)生過(guò)量噪聲。如果規(guī)定最小輸入壓擺率，用戶應(yīng)滿足該要求，以確保額定噪聲性能。
06
孔徑抖動(dòng)
孔徑抖動(dòng)是ADC的內(nèi)部時(shí)鐘不確定性。ADC的噪聲性能受內(nèi)部和外部時(shí)鐘抖動(dòng)限制。
在典型的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，孔徑抖動(dòng)僅限轉(zhuǎn)換器。外部孔徑抖動(dòng)以均方根方式與內(nèi)部孔徑抖動(dòng)相加。對(duì)于低頻應(yīng)用，抖動(dòng)可能并不重要，但隨著模擬頻率的增加，由抖動(dòng)引起的噪聲問(wèn)題變得越來(lái)越明顯。如果不使用充足的時(shí)鐘，性能將比預(yù)期要差。
除由于時(shí)鐘抖動(dòng)而增加的噪聲以外，時(shí)鐘信號(hào)中與時(shí)鐘不存在諧波關(guān)系的譜線也將顯現(xiàn)為數(shù)字化輸出的失真。因此，時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)具有盡可能高的頻譜純度。
孔徑延遲是采樣信號(hào)的應(yīng)用與實(shí)際進(jìn)行輸入信號(hào)采樣的時(shí)刻之間的時(shí)間延遲。此時(shí)間通常為納秒或更小，可能為正、為負(fù)或甚至為零。除非知道精確的采樣時(shí)刻非常重要，否則孔徑延遲并不重要。
07
轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換延遲
轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換延遲是兩個(gè)密切相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。轉(zhuǎn)換時(shí)間一般適用于逐次逼近型轉(zhuǎn)換器(SAR)，這類轉(zhuǎn)換器使用高時(shí)鐘速率處理輸入信號(hào)，輸入信號(hào)出現(xiàn)在輸出上的時(shí)間明顯晚于轉(zhuǎn)換命令，但早于下一個(gè)轉(zhuǎn)換命令。轉(zhuǎn)換命令與轉(zhuǎn)換完成之間的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。
轉(zhuǎn)換延遲通常適用于流水線式轉(zhuǎn)換器。作為測(cè)量用于產(chǎn)生數(shù)字輸出的流水線(內(nèi)部數(shù)字級(jí))數(shù)目的技術(shù)指標(biāo)，轉(zhuǎn)換延遲通常用流水線延遲來(lái)規(guī)定。通過(guò)將此數(shù)目乘以應(yīng)用中使用的采樣周期，可計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)換時(shí)間。
08
喚醒時(shí)間
喚醒時(shí)間，為了降低功耗敏感型應(yīng)用的功耗，器件通常在相對(duì)不用期間關(guān)斷，這樣做確實(shí)可以節(jié)省大量功耗，但器件重新啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定以及內(nèi)部時(shí)鐘的功能恢復(fù)都需要一定的時(shí)間，此時(shí)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)將不滿足技術(shù)指標(biāo)。
09
輸出負(fù)載
輸出負(fù)載，同所有數(shù)字輸出器件一樣，ADC，尤其是CMOS輸出器件，規(guī)定輸出驅(qū)動(dòng)能力。出于可靠性的原因，知道輸出驅(qū)動(dòng)能力比較重要，但最佳性能一般是在未達(dá)到完全驅(qū)動(dòng)能力時(shí)。
在高性能應(yīng)用中，重要的是，將輸出負(fù)載降至最低，并提供適當(dāng)?shù)娜ヱ詈蛢?yōu)化布局，以盡可能降低電源上的壓降。為了避免此類問(wèn)題發(fā)生，許多轉(zhuǎn)換器都提供LVDS輸出。LVDS具有對(duì)稱性，因此可以降低開(kāi)關(guān)電流并提高總體性能。如果可以，應(yīng)該使用LVDS輸出以確保最佳性能。
10
未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)
未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)至關(guān)重要的未規(guī)定項(xiàng)目是PCB布局。雖然可規(guī)定內(nèi)容的不多，但它會(huì)顯著影響轉(zhuǎn)換器的性能。例如，如果應(yīng)用未能采用充足的去耦電容，就會(huì)存在過(guò)多的電源噪聲。由于PSR有限，電源上的噪聲會(huì)耦合到模擬輸入中，并破壞數(shù)字輸出頻譜，如圖3所示。
圖3a. 電容與性能
圖3b. 有限電容與性能
這些示例顯示了不同的場(chǎng)景和應(yīng)用需求如何影響ADC架構(gòu)的選擇。工程師可以通過(guò)了解不同ADC類型的性能特征和權(quán)衡，做出符合其各自應(yīng)用目標(biāo)和限制的明智選擇?？蓴U(kuò)展性和開(kāi)發(fā)需求的可能性也是必不可少的考慮因素，尤其是在快速發(fā)展的行業(yè)中。
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