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ADC輸入噪聲利弊分析(一)

作者: 時(shí)間:2012-12-09 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏
多數情況下,越低越好,但在某些情況下,實(shí)際上有助于實(shí)現更高的分辨率。這似乎毫無(wú)道理,不過(guò)繼續閱讀本指南,就會(huì )明白為什么有些噪聲是好的噪聲。

  折合到輸入端噪聲(代碼躍遷噪聲)

  實(shí)際的在許多方面與理想的有偏差。折合到輸入端的噪聲肯定不是理想情況下會(huì )出現的,它對整體傳遞函數的影響如圖1所示。隨著(zhù)模擬輸入電壓提高,"理想"ADC(如圖1A所示)保持恒定的輸出代碼,直至達到躍遷區,此時(shí)輸出代碼即刻跳變?yōu)橄乱粋€(gè)值,并且保持該值,直至達到下一個(gè)躍遷區。理論上,理想ADC的"代碼躍遷"噪聲為0,躍遷區寬度也等于0.實(shí)際的ADC具有一定量的代碼躍遷噪聲,因此躍遷區寬度取決于折合到輸入端噪聲的量(如圖1B所示)。圖1B顯示的情況是代碼躍遷噪聲的寬度約為1個(gè)LSB(最低有效位)峰峰值。

  

圖1:代碼躍遷噪聲(折合到輸入端噪聲)及其對ADC傳遞函數的影響

  圖1:代碼躍遷噪聲(折合到輸入端噪聲)及其對ADC傳遞函數的影響

  由于電阻噪聲和"kT/C"噪聲,所有ADC內部電路都會(huì )產(chǎn)生一定量的均方根(RMS)噪聲。即使是直流輸入信號,此噪聲也存在,它是代碼躍遷噪聲存在的原因。如今通常把代碼躍遷噪聲稱(chēng)為"折合到輸入端噪聲",而不是直接使用"代碼躍遷噪聲"這一說(shuō)法。折合到輸入端噪聲通常用ADC輸入為直流值時(shí)的若干輸出樣本的直方圖來(lái)表征。大多數高速或高分辨率ADC的輸出為一系列以直流輸入標稱(chēng)值為中心的代碼(見(jiàn)圖2)。為了測量其值,ADC的輸入端接地或連接到一個(gè)深度去耦的電壓源,然后采集大量輸出樣本并將其表示為直方圖(有時(shí)也稱(chēng)為"接地輸入"直方圖)。由于噪聲大致呈高斯分布,因此可以計算直方圖的標準差σ,它對應于有效輸入均方根噪聲。參考文獻1詳細說(shuō)明了如何根據直方圖數據計算σ值。該均方根噪聲雖然可以表示為以ADC滿(mǎn)量程輸入范圍為基準的均方根電壓,但慣例是用LSB rms來(lái)表示。

  

圖2:折合到輸入端噪聲對ADC

  圖2:折合到輸入端噪聲對ADC"接地輸入端"直方圖的影響(ADC具有少量DNL)

  雖然ADC固有的微分非線(xiàn)性(DNL)可能會(huì )導致其噪聲分布與理想的高斯分布有細微的偏差(圖2示例中顯示了部分DNL),但它至少大致呈高斯分布。如果DNL比較大,則應計算多個(gè)不同直流輸入電壓的值,然后求平均值。例如,如果代碼分布具有較大且獨特的峰值和谷值,則表明ADC設計不佳,或者更有可能的是PCB布局布線(xiàn)錯誤、接地不良、電源去耦不當(見(jiàn)圖3)。當直流輸入掃過(guò)ADC輸入電壓范圍時(shí),如果分布寬度急劇變化,這也表明存在問(wèn)題。

  

圖3:設計不佳的ADC和/或布局布線(xiàn)、接地、去耦不當的接地輸入端直方圖

  圖3:設計不佳的ADC和/或布局布線(xiàn)、接地、去耦不當的接地輸入端直方圖

無(wú)噪聲(無(wú)閃爍)代碼分辨率

  ADC的無(wú)噪聲代碼分辨率是指這樣一個(gè)位數,如果超過(guò)該位數,則無(wú)法明確無(wú)誤地解析各個(gè)代碼,原因是存在所有ADC都具有的有效(或折合到輸入端噪聲),如上文所述。該噪聲可以表示為均方根量,單位通常是LSB rms.乘以系數6.6可以將均方根噪聲轉換為峰峰值噪聲(用"LSB峰峰值"表示)。N位ADC的總范圍為2NLSB.因此,無(wú)噪聲采樣總數等于:

  

ADC輸入噪聲利弊分析(一)

  對無(wú)噪聲采樣數求以2為底的對數可以得到無(wú)噪聲代碼分辨率:

  

ADC輸入噪聲利弊分析(一)

  無(wú)噪聲代碼分辨率規格一般與高分辨率-型測量ADC相關(guān),通常是采樣速率、數字濾波器帶寬和可編程增益放大器(PGA)增益的函數。圖4所示為從-型測量ADC AD7730獲得的一個(gè)典型數據表。

  

ADC輸入噪聲利弊分析(一)

  圖4:Σ-Δ型ADC AD7730的無(wú)噪聲代碼分辨率

  注意,當輸出數據速率為50 Hz、輸入范圍為±10 mV時(shí),無(wú)噪聲代碼分辨率為16.5位(80,000無(wú)噪聲采樣)。這些條件下的建立時(shí)間為460 ms,因此該ADC是精密電子秤應用的理想之選。對于適合精密測量應用的高分辨率-型ADC,大部分數據手冊都提供了類(lèi)似的數據。

  有時(shí)候會(huì )利用滿(mǎn)量程范圍與均方根輸入噪聲(而非峰峰值噪聲)的比值來(lái)計算分辨率,該分辨率稱(chēng)為"有效分辨率".注意:在相同條件下,有效分辨率比無(wú)噪聲代碼分辨率高log2(6.6),約2.7位。

  

ADC輸入噪聲利弊分析(一)

  有些制造商更愿意規定有效分辨率,而不是無(wú)噪聲代碼分辨率,因為前者的位數較高。用戶(hù)應仔細檢查數據手冊,弄清它到底指定哪一種分辨率。

  通過(guò)數字均值法提高ADC分辨率并降低噪聲

  折合到輸入端噪聲的影響可以通過(guò)數字均值方法降低。假設一個(gè)16位ADC具有15位無(wú)噪聲分辨率,采樣速率為100 kSPS.對于每個(gè)輸出樣本,如果對兩個(gè)樣本進(jìn)行平均,則有效采樣速率降至50 kSPS,SNR提高3 dB,無(wú)噪聲位數提高到15.5位。如果對四個(gè)樣本進(jìn)行平均,則采樣速率降至25 kSPS,SNR提高6 dB,無(wú)噪聲位數提高到16位。

  事實(shí)上,如果對16個(gè)樣本進(jìn)行平均,則輸出采樣速率降至6.25 kSPS,SNR再提高6 dB,無(wú)噪聲位數提高到17位。為了利用額外的"分辨率",均值算法必須在較大的有效位數上執行。

  均值過(guò)程還有助于消除ADC傳遞函數的DNL誤差,這可以通過(guò)下面的簡(jiǎn)單例子來(lái)說(shuō)明:假設ADC在量化電平"k"處有一個(gè)失碼,雖然代碼"k"由于DNL誤差較大而丟失,但兩個(gè)相鄰代碼k – 1和k + 1的平均值等于k.

  因此,可以利用該技術(shù)來(lái)有效提高ADC的動(dòng)態(tài)范圍,代價(jià)是整體輸出采樣速率降低并且需要額外的數字硬件。不過(guò)應注意,均值并不能校正ADC固有的積分非線(xiàn)性。

  現在考慮這樣一種情況:ADC的折合到輸入端噪聲非常低,直方圖總是顯示一個(gè)明確的代碼,對于這種ADC,數字均值有何作用呢?答案很簡(jiǎn)單--沒(méi)有作用!無(wú)論對多少樣本進(jìn)行平均,答案始終相同。但只要將足夠大的噪聲增加到輸入信號中,使得直方圖中有一個(gè)以上的代碼,那么均值方法又會(huì )發(fā)揮效用。因此,少量噪聲可能是好事情(至少對于均值方法而言),但輸入端存在的噪聲越高,為實(shí)現相同分辨率所需的均值樣本數越多。

  切勿將有效位數(ENOB)與有效分辨率或無(wú)噪聲代碼分辨率混為一談

  由于這些術(shù)語(yǔ)名稱(chēng)相似,"有效位數"和"有效分辨率"常被誤認為是一回事,事實(shí)并非如此。

  有效位數(ENOB)來(lái)自對ADC輸出的FFT分析,條件是用一個(gè)滿(mǎn)量程正弦波輸入信號激勵ADC.計算所有噪聲和失真項的和方根(RSS)值,信號對噪聲和失真的比值定義為信納比SINAD或S/(N+D)。理想N位ADC的理論SNR為:

  

ADC輸入噪聲利弊分析(一)

  將計算所得的SINAD值替換等式5中的SNR,并求解N,便得到ENOB:

  

ADC輸入噪聲利弊分析(一)

  用于計算SINAD和ENOB的噪聲和失真不僅包括折合到輸入端噪聲,而且包括量化噪聲和失真項。SINAD和ENOB用于衡量ADC的動(dòng)態(tài)性能,有效分辨率和無(wú)噪聲代碼分辨率則用于衡量ADC在無(wú)量化噪聲的直流輸入條件下的噪聲。

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