模數轉換器中的噪聲系數

　　在ADC中，噪聲系數（NF）和信噪比（SNR）是可以互換的。噪聲系數對了解噪聲密度十分有用，而信噪比衡量的則是目標頻段中的噪聲總量。盡管如此，我們來(lái)深入地了解一下噪聲系數。有些折衷具有誤導性，低噪聲系數并不總是可以降低轉換器中的前端噪聲。

　　在嘗試了解級聯(lián)信號鏈的動(dòng)態(tài)機制時(shí)，噪聲系數用起來(lái)是十分方便的。當源電阻增加4倍時(shí)，噪聲系數將提高6 dB，但是，增加的電阻同時(shí)會(huì )增加轉換器中的約翰遜噪聲。源電阻較高或者超過(guò)模擬前端（變壓器或放大器）上滿(mǎn)量程輸入信號的一半時(shí)，目標頻段中的噪聲將變得難以控制，最終導致轉換器性能下降。

　　為何如此？如果調低滿(mǎn)量程輸入，必須調高增益。在理論上，這樣做看起來(lái)沒(méi)什么問(wèn)題，但是，變壓器對增益帶寬的依賴(lài)性比放大器高，因此，用高增益變壓器優(yōu)化噪聲系數的做法會(huì )增加實(shí)現100 MHz以上的常見(jiàn)高中頻應用的難度。

　　放大器也存在類(lèi)似的問(wèn)題：隨著(zhù)增益的提高，信號和放大器噪聲都會(huì )增加，結果會(huì )降低轉換器的性能。要維持性能不變，就需要采用基于高損耗阻性元件的高階抗混疊濾波器。

　　在設計轉換器前端時(shí)，一定要考慮噪聲頻譜密度（NSD）。噪聲頻譜密度通常以nV/√Hz為單位，對轉換器具有十分重要的意義，因為要在數字域中對噪聲頻譜密度進(jìn)行處理，以便區分并最終挑出頻段中的目標信號。

　　圖1.AD9625前端設計示例。

　　總之，要把增益放在適當的位置，確保整個(gè)信號鏈中的輸入和輸出滿(mǎn)量程信號均實(shí)現最大化。在任何信號鏈中，衰減、填充位或電阻都不是良性的噪聲系數折衷考慮因素，因為結果會(huì )浪費功耗，而且電阻還會(huì )增加噪聲。

　　噪聲系數 = Pf– SNR – 10 log BW + 174 dBm，其中，Pf為輸入網(wǎng)絡(luò )的滿(mǎn)量程功耗，SNR為輸入網(wǎng)絡(luò )的實(shí)測信噪比，BW為輸入網(wǎng)絡(luò )的–3 dB帶寬，174 dBm為熱噪底；熱噪底 = kTBW，其中，k為1.38 ×10–23，室溫下，T為300K。

　　參考文獻

　　Kester，Walt，模數轉換，ADI公司，2004．ISBN 0-916550-27-3．

　　MT-006：ADC噪聲系數——一個(gè)經(jīng)常被誤解的技術(shù)參數

　　MT-052：運算放大器噪聲系數：不要被誤導

　　Brannon，Brad．分析ADC噪聲對無(wú)線(xiàn)系統性能的影響，EE Times． 2003

　　Rob Reeder 是ADI公司（美國北卡羅來(lái)納州格林斯博羅）的高級系統應用工程師，發(fā)表了大量有關(guān)各種應用的轉換器接口、轉換器測試和模擬信號鏈設計的論文。Rob擁有美國北伊利諾斯州大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。