在高速應用中如何利用輸入噪聲改善ADC性能

　　所有的模數轉換器(ADC)都有一定量的輸入參考噪聲。大多數情況下，輸入噪聲越小越好；但在某些情況下，輸入噪聲實(shí)際上對提高分辨率是有幫助的。

　　在精密的低頻測量應用中，使用較低的采樣率和額外的硬件對ADC輸出數據進(jìn)行數字化平均，可以減小這種噪聲的影響。雖然通過(guò)這種平均方式確實(shí)可以提高ADC的分辨率，但積分非線(xiàn)性(INL)誤差卻不會(huì )減少。而在某些高速應用中，增添一些帶外噪聲抖動(dòng)，不僅可以改善ADC的微分非線(xiàn)性(DNL)，而且還能增加它的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)，即接收到的信號的均方根值(RMS)與采樣區的頻譜線(xiàn)均方根值之比。這種方法的效用如何，主要取決于所用ADC的特性。

　　對于一個(gè)“理想的”ADC而言，當模擬輸入電壓增加時(shí)，輸出編碼將保持恒定，直至達到一個(gè)躍遷區。在那一點(diǎn)上輸出編碼立刻跳變到下一個(gè)量值，并且一直保持到下一個(gè)躍遷區域。理想的ADC具有零編碼躍遷噪聲，并且躍遷區域的寬度為零。但真實(shí)世界中的ADC都有一定數量的編碼躍遷噪聲，因而具有一定限度的躍遷區域寬度。所有ADC電路都會(huì )由于電阻噪聲和“kT/C”噪聲而產(chǎn)生一定數量的RMS噪聲。

　　在保持恒定直流輸入的情況下，輸入參考噪聲可以通過(guò)檢查大量輸出采樣的直方圖來(lái)表征。輸出通常是以直流輸入標稱(chēng)值為中心的編碼分布。該噪聲是近似的高斯(Gaussian)分布，所以直方圖的標準偏差相當于RMS輸入噪聲。

　　ADC的DNL會(huì )造成遠離理想高斯分布的偏差。如果一個(gè)編碼分布呈明顯的非高斯分布，例如有大而明顯的波峰或波谷，這就通常表明PC板版圖不良、接地技術(shù)差勁或電源去耦不正確。出現麻煩的另一個(gè)跡象是，當直流輸入超過(guò)ADC的輸入電壓范圍時(shí)，編碼分布的寬度會(huì )劇烈變化。

　　ADC的無(wú)噪聲碼分辨率是指超過(guò)它就不能清楚地分辨單個(gè)編碼的分辨率位數。RMS噪聲乘以6.6即轉換為峰－峰噪聲。如果用RMS噪聲(而不是峰峰噪聲)計算分辨率，就使用有效分辨率這個(gè)術(shù)語(yǔ)。在同等條件下，有效分辨率比無(wú)噪聲分辨率高約2.7位。

　　由于術(shù)語(yǔ)的相似性，有效位數(ENOB)和有效分辨率經(jīng)常會(huì )混淆。有效位數是根據信號對噪聲和失真的比率(Sinad)計算得出的一個(gè)交流參數。

　　用于計算Sinad和ENOB的噪聲和失真不僅包括輸入參考噪聲，而且包括量化噪聲和失真條件。Sinad和ENOB用于測量ADC的動(dòng)態(tài)性能，而有效分辨率和無(wú)噪聲碼分辨率用于測量在直流輸入條件下的ADC噪聲，這里不考慮量化噪聲。

　　通過(guò)數字平均可以減少輸入參考噪聲的影響。以一個(gè)16位的ADC為例，以100kSPS采樣率工作，具有15位無(wú)噪聲碼分辨率。對同一個(gè)信號的每次輸出采樣做兩次測量結果平均，將使有效采樣率減少到50kSPS，信噪比(SNR)提高3dB，并且無(wú)噪聲碼分辨率可提高到15.5位。如果對每次輸出采樣做四次測量平均，采樣率將減少到25kSPS，SNR提高6dB，并且無(wú)噪聲碼分辨率提高到16位。

　　平均過(guò)程還有助于消除DNL誤差?？梢酝ㄟ^(guò)ADC在量化等級k上有失碼的簡(jiǎn)單情況來(lái)舉例說(shuō)明。盡管由于大的DNL誤差會(huì )丟失編碼k，但兩個(gè)相鄰的編碼k-1和k+1的平均值等于k。以犧牲采樣率和增加額外數字硬件為代價(jià)，數字化平均能增加ADC的動(dòng)態(tài)范圍，但它不會(huì )糾正ADC內部的INL。

　　要實(shí)現SFDR最大化，需要將前端放大器和采樣保持電路產(chǎn)生的失真以及由編碼器非線(xiàn)性產(chǎn)生的失真降到最低。雖然沒(méi)有辦法顯著(zhù)減少由前端失真，但是通?？梢允褂枚秳?dòng)(定義為有意施加到模擬輸入信號上的外部噪聲)來(lái)減小DNL。

　　一種方法是加入大量的抖動(dòng)，從而將ADC的傳輸函數隨機化。這里用一個(gè)偽隨機數發(fā)生器驅動(dòng)DAC。從ADC輸入信號中抽去模擬信號，然后經(jīng)過(guò)數字化添加到ADC的輸出端，此時(shí)SNR沒(méi)有明顯的降低。然而，這種技術(shù)有一項缺點(diǎn)，即必須減小ADC輸入信號的擺幅以防止過(guò)度驅動(dòng)ADC。

　　另一種增加SFDR的方法，是在有用信號帶寬之外注入一個(gè)窄帶抖動(dòng)信號。因為信號分量的頻率范圍不處于直流附近，所以這個(gè)低頻區域常常用來(lái)注入該抖動(dòng)信號。另一個(gè)注入抖動(dòng)信號的可能區域是略低于fs/2的區域。抖動(dòng)信號占用帶寬相對于有用信號帶寬僅占一小部分，所以不會(huì )明顯降低SNR。產(chǎn)生抖動(dòng)噪聲的方法有許多，例如可使用噪聲二極管，但是對一個(gè)寬帶雙極型運算放大器的輸入電壓噪聲進(jìn)行簡(jiǎn)單的放大則是一種較為經(jīng)濟的解決方案。

作者：Walt Kester

高級應用工程師

美國模擬器件公司