關(guān)于A(yíng)DC的噪聲、ENOB及有效分辨率

　　ADC的一個(gè)重要趨勢是轉向更高的分辨率。這一趨勢影響著(zhù)一系列的應用，包括工廠(chǎng)自動(dòng)化、溫度檢測，以及數據采集。對更高分辨率的需求使設計者們從傳統的12位SAR(逐次逼近寄存器)ADC，轉向分辨率達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轉換時(shí)出現的噪聲。噪聲、ENOB(有效位數)、有效分辨率、無(wú)噪聲分辨率等指標基本上定義了一款ADC的精度。

　　因此，了解有關(guān)噪聲的性能指標要比從SAR轉向Δ-Σ ADC更加困難。鑒于當前對更高分辨率的需求，設計者必須更好地了解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通常就足以測量各種信號與電壓輸入。如果某個(gè)應用需要更精細的測量，設計者可以在A(yíng)DC前加一個(gè)增益級或PGA(可編程增益放大器)。對于16位設計，設計者的選擇仍然主要是SARADC，但也包含了某些Δ-Σ ADC。但對16位以上的設計，Δ-Σ ADC正在變得更加適用。SAR ADC現在有18位的極限，而Δ-Σ ADC正將自己的空間擴充到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： 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。測量ENOB的最常用方法是對ADC的一個(gè)正弦波輸入做快速傅里葉變換分析。IEEE標準1057將

　　有效分辨率與無(wú)噪聲分辨率測量的是ADC在基礎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，對有效分辨率和無(wú)噪聲分辨率的計算就變得簡(jiǎn)單了。

　　ADC的輸入電壓范圍取決于基準電壓。如果ADC包含有一個(gè)PGA，則還要把PGA考慮到電壓范圍內。有些Δ-Σ ADC包括了用于提高小信號增益的PGA。帶PGA的最新ADC通常都標示噪聲小于100nV rms。雖然這個(gè)噪聲數字看似比老款ADC有吸引力，但它通常采用的是一個(gè)小輸入范圍，根據基準電壓，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：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)驗室中的5位半或6位半數字萬(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穩定且不閃爍，則數據輸出字就高于系統的噪聲水平。以6.6的波峰因數為例，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值，無(wú)噪聲分辨率為18.9位。

　　無(wú)噪聲計數

　　無(wú)噪聲計數是精密系統用于評估ADC性能的另一個(gè)指標，尤其是在稱(chēng)重天平等應用中，它可能需要50000個(gè)無(wú)噪聲計數。這個(gè)值的計算方法是將無(wú)噪聲分辨率轉換為2N因數的計數。例如，采用式210，一個(gè)理想10位ADC有1024個(gè)無(wú)噪聲計數。一個(gè)理想的12位 ADC有4096個(gè)無(wú)噪聲計數。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)噪聲計數。

　　Δ-ΣADC的過(guò)采樣

　　Δ-Σ ADC采用一種過(guò)采樣結構，這意味著(zhù)ADC的內部振蕩器/時(shí)鐘頻率高于輸出數據(或吞吐量)速率。有些Δ-Σ ADC可以改變輸出數據的速率，使設計者能夠優(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(將噪聲推入測量區以外的頻段)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據速率、噪聲、無(wú)噪聲分辨率，以及有效分辨率。24位的MAX11200 ADC既可以測雙極輸入，也可以測單極輸入。它的工作電壓為2.7V~3.6V，基準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，而單極測量則基于0V~3.6V的輸入范圍。

　　設計者可以通過(guò)軟件，對MAX11200內部振蕩器編程，在較低的數據速率設置下為60Hz抑制的2.4576MHz，或在較低數據速率下50Hz抑制的2.048MHz。無(wú)論哪種數據速率，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，因為輸出的數據字長(cháng)為24位。在三個(gè)最低的數據速率設置下，ADC的噪聲水平足夠的低，如果ADC要在串行接口上輸出24位以上數據，則有效分辨率優(yōu)于24位。除非有數據輸出字的限制，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能夠實(shí)現低噪聲與高精度。

　　噪聲整形、過(guò)濾

　　圖1是一個(gè)標準ADC的量化噪聲，圖2詳細描述了一只ADC，包括過(guò)采樣、數字濾波器，以及抽取。大多數采用過(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，而數字濾波器可消除大部分噪聲。圖3詳解了一個(gè)Δ-Σ調制器，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制造商能夠實(shí)現優(yōu)于1μV rms的噪聲值。

　　圖1，一個(gè)標準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、數字濾波器、抽取的ADC中，ADC輸入頻帶內的噪聲(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的最佳設計選擇。隨著(zhù)設計者必須處理的信號越來(lái)越小，選擇正確ADC的關(guān)鍵就變?yōu)橐獪蚀_地理解ADC噪聲、有效分辨率、ENOB，以及無(wú)噪聲分辨率。