關(guān)于A(yíng)DC的噪聲、ENOB及有效分辨率

ADC的一個(gè)重要趨勢(shì)是轉(zhuǎn)向更高的分辨率。這一趨勢(shì)影響著一系列的應(yīng)用，包括工廠(chǎng)自動(dòng)化、溫度檢測(cè)，以及數(shù)據(jù)采集。對(duì)更高分辨率的需求使設(shè)計(jì)者們從傳統(tǒng)的12位SAR(逐次逼近寄存器)ADC，轉(zhuǎn)向分辨率達(dá)24位的Δ-Σ ADC。所有ADC都有某種程度的噪聲，包括輸入相關(guān)噪聲以及量化噪聲，前者是ADC本身固有的噪聲，后者則是在A(yíng)DC轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)的噪聲。噪聲、ENOB(有效位數(shù))、有效分辨率、無(wú)噪聲分辨率等指標(biāo)基本上定義了一款A(yù)DC的精度。

因此，了解有關(guān)噪聲的性能指標(biāo)要比從SAR轉(zhuǎn)向Δ-Σ ADC更加困難。鑒于當(dāng)前對(duì)更高分辨率的需求，設(shè)計(jì)者必須更好地了解ADC噪聲、ENOB、有效分辨率，以及信噪比。

更高分辨率

過(guò)去，一只12位SAR ADC通常就足以測(cè)量各種信號(hào)與電壓輸入。如果某個(gè)應(yīng)用需要更精細(xì)的測(cè)量，設(shè)計(jì)者可以在A(yíng)DC前加一個(gè)增益級(jí)或PGA(可編程增益放大器)。對(duì)于16位設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者的選擇仍然主要是SARADC，但也包含了某些Δ-Σ ADC。但對(duì)16位以上的設(shè)計(jì)，Δ-Σ ADC正在變得更加適用。SAR ADC現(xiàn)在有18位的極限，而Δ-Σ ADC正將自己的空間擴(kuò)充到18位、20位和24位。ADC的價(jià)格在過(guò)去10年有不小的下降，使用也變得更簡(jiǎn)單，獲得了更廣泛的理解。

有效分辨率

下式定義了有效分辨率的位數(shù)： 有效分辨率=log2(滿(mǎn)量程輸入電壓范圍/ADC-rms噪聲)，或更簡(jiǎn)單地，有效分辨率=log2(VIN/VRMSNOISE)。不要將有效分辨率與ENOB相混淆。測(cè)量ENOB的最常用方法是對(duì)ADC的一個(gè)正弦波輸入做快速傅里葉變換分析。IEEE標(biāo)準(zhǔn)1057將

有效分辨率與無(wú)噪聲分辨率測(cè)量的是ADC在基礎(chǔ)dc的噪聲性能，它不是頻譜失真中的因素，包括總諧波失真和無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍。一旦知道了ADC的噪聲與輸入范圍，對(duì)有效分辨率和無(wú)噪聲分辨率的計(jì)算就變得簡(jiǎn)單了。

ADC的輸入電壓范圍取決于基準(zhǔn)電壓。如果ADC包含有一個(gè)PGA，則還要把PGA考慮到電壓范圍內(nèi)。有些Δ-Σ ADC包括了用于提高小信號(hào)增益的PGA。帶PGA的最新ADC通常都標(biāo)示噪聲小于100nV rms。雖然這個(gè)噪聲數(shù)字看似比老款A(yù)DC有吸引力，但它通常采用的是一個(gè)小輸入范圍，根據(jù)基準(zhǔn)電壓，小的輸入范圍才能最終放大以適配一個(gè)較寬的ADC有效范圍。因此，這些ADC的有效分辨率與無(wú)噪聲分辨率可能弱于那些不帶PGA的ADC。

無(wú)噪聲分辨率

無(wú)噪聲分辨率采用的是峰峰電壓噪聲，而不是rms噪聲。下式定義了無(wú)噪聲分辨率的位數(shù)：無(wú)噪聲分辨率=log2(滿(mǎn)量程輸入電壓范圍/ADC的峰峰噪聲)。無(wú)噪聲分辨率=log2(VIN/V-p-p噪聲)?？梢杂脤?shí)驗(yàn)室中的5位半或6位半數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)看待無(wú)噪聲或無(wú)閃爍分辨率。如果顯示的最后一位數(shù)穩(wěn)定且不閃爍，則數(shù)據(jù)輸出字就高于系統(tǒng)的噪聲水平。以6.6的波峰因數(shù)為例，峰峰噪聲是rms噪聲的6.6倍。因此，有效分辨率要比無(wú)噪聲分辨率高2.7位。采用相同的噪聲與基準(zhǔn)值，無(wú)噪聲分辨率為18.9位。

無(wú)噪聲計(jì)數(shù)

無(wú)噪聲計(jì)數(shù)是精密系統(tǒng)用于評(píng)估ADC性能的另一個(gè)指標(biāo)，尤其是在稱(chēng)重天平等應(yīng)用中，它可能需要50000個(gè)無(wú)噪聲計(jì)數(shù)。這個(gè)值的計(jì)算方法是將無(wú)噪聲分辨率轉(zhuǎn)換為2N因數(shù)的計(jì)數(shù)。例如，采用式210，一個(gè)理想10位ADC有1024個(gè)無(wú)噪聲計(jì)數(shù)。一個(gè)理想的12位 ADC有4096個(gè)無(wú)噪聲計(jì)數(shù)。同樣，采用相同的無(wú)噪聲分辨率值，該例可得218.9，合489178個(gè)無(wú)噪聲計(jì)數(shù)。

Δ-ΣADC的過(guò)采樣

Δ-Σ ADC采用一種過(guò)采樣結(jié)構(gòu)，這意味著ADC的內(nèi)部振蕩器/時(shí)鐘頻率高于輸出數(shù)據(jù)(或吞吐量)速率。有些Δ-Σ ADC可以改變輸出數(shù)據(jù)的速率，使設(shè)計(jì)者能夠優(yōu)化采樣，在最差噪聲情況下獲得較高速度，或用更多的過(guò)濾和噪聲整形(將噪聲推入測(cè)量區(qū)以外的頻段)而獲得較低速度和更好的噪聲性能。很多新的Δ-Σ ADC都以表格形式提供有效分辨率和無(wú)噪聲分辨率值，從而易于比較權(quán)衡。

表1給出了一個(gè)ADC的例子，包括雙極模式和單極輸入模式下的數(shù)據(jù)速率、噪聲、無(wú)噪聲分辨率，以及有效分辨率。24位的MAX11200 ADC既可以測(cè)雙極輸入，也可以測(cè)單極輸入。它的工作電壓為2.7V~3.6V，基準(zhǔn)電壓最高可以偏置到電源電壓。雙極值基于±3.6V的最大輸入范圍，而單極測(cè)量則基于0V~3.6V的輸入范圍。

設(shè)計(jì)者可以通過(guò)軟件，對(duì)MAX11200內(nèi)部振蕩器編程，在較低的數(shù)據(jù)速率設(shè)置下為60Hz抑制的2.4576MHz，或在較低數(shù)據(jù)速率下50Hz抑制的2.048MHz。無(wú)論哪種數(shù)據(jù)速率，ADC噪聲都相同。因此，獲得的無(wú)噪聲分辨率與有效分辨率值都是一樣的。你可以為一個(gè)55Hz陷波濾波器采用外接振蕩器，可同時(shí)在50Hz與60Hz獲得好的抑制效果。

有效的雙極分辨率最大為24位，因?yàn)檩敵龅臄?shù)據(jù)字長(zhǎng)為24位。在三個(gè)最低的數(shù)據(jù)速率設(shè)置下，ADC的噪聲水平足夠的低，如果ADC要在串行接口上輸出24位以上數(shù)據(jù)，則有效分辨率優(yōu)于24位。除非有數(shù)據(jù)輸出字的限制，否則有效分辨率總是比無(wú)噪聲分辨率好2.7 位。噪聲整形使Δ-Σ ADC能夠?qū)崿F(xiàn)低噪聲與高精度。

噪聲整形、過(guò)濾

圖1是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ADC的量化噪聲，圖2詳細(xì)描述了一只ADC，包括過(guò)采樣、數(shù)字濾波器，以及抽取。大多數(shù)采用過(guò)采樣的ADC核心是Δ-Σ單元。N倍過(guò)采樣會(huì)在較寬的頻帶上散播噪聲，而數(shù)字濾波器可消除大部分噪聲。圖3詳解了一個(gè)Δ-Σ調(diào)制器，它在圖2的相同塊中增加了噪聲整形。將噪聲推至不對(duì)稱(chēng)的較高頻率，可使噪聲位于最低頻帶。這種技術(shù)使Δ-Σ ADC制造商能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)于1μV rms的噪聲值。

圖1，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)ADC的噪聲性能弱于Δ-Σ ADC器件。

圖2，一個(gè)采用N倍過(guò)采樣、數(shù)字濾波器和抽取的ADC改進(jìn)了噪聲性能。

圖3，在一個(gè)采用N倍過(guò)采樣、噪聲整形、數(shù)字濾波器、抽取的ADC中，ADC輸入頻帶內(nèi)的噪聲(黃色)大大降低。

有了過(guò)采樣能力和固有的低噪聲，Δ-Σ ADC成為需要較高分辨率的系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)選擇。隨著設(shè)計(jì)者必須處理的信號(hào)越來(lái)越小，選擇正確ADC的關(guān)鍵就變?yōu)橐獪?zhǔn)確地理解ADC噪聲、有效分辨率、ENOB，以及無(wú)噪聲分辨率。