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ADC信噪比的分析及高速高分辨率ADC電路的實(shí)現

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作者:許嘉林 盧艷娥 丁子明 時(shí)間:2008-01-14 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

作者:北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 許嘉林 盧艷娥 丁子明

  在雷達、導航等軍事領(lǐng)域中,由于信號帶寬寬(有時(shí)可能高于10MHz),要求ADC的采樣率高于30MSPS,分辨率大于10位。目前高速高分辨率ADC器件在采樣率高于10MSPS時(shí),量化位數可達14位,但實(shí)際分辨率受器件自身誤差和電路噪聲的影響很大。在數字通信、數字儀表、軟件無(wú)線(xiàn)電等領(lǐng)域中應用的高速ADC電路,在輸入信號低于1MHz時(shí),實(shí)際分辨率可達10位,但隨輸入信號頻率的增加下降很快,不能滿(mǎn)足軍事領(lǐng)域的使用要求。

  針對這一問(wèn)題,本文主要研究在不采用過(guò)采樣、數字濾波和增益自動(dòng)控制等技術(shù)條件下,如何提高高速高分辨率ADC電路的實(shí)際分辨率,使其最大限度地接近ADC器件自身的實(shí)際分辨率,即最大限度地提高ADC電路的信噪比。為此,本文首先從理論上分析了影響ADC信噪比的因素;然后從電路設計和器件選擇兩方面出發(fā),設計了高速高分辨率ADC電路。經(jīng)實(shí)測表明,當輸入信號頻率為0.96MHz時(shí),該電路的實(shí)際分辨率為11.36位;當輸入信號頻率為14.71MHz日寸,該電路的實(shí)際分辨率為10.88位。

1 影響ADC信噪比因素的理論分析

  ADC的實(shí)際分辨率是用有效位數ENOB標稱(chēng)的。不考慮過(guò)采樣,當滿(mǎn)量程單頻理想正弦波輸入時(shí),實(shí)際分辨率可用下式表示:

             ENOB=[SINA0(dB)-1.76]/6.02 (1)

  式中,SINAD表示ADC的信噪失真比,指ADC滿(mǎn)量程單頻理想正弦波輸入信號的有效值與ADC輸出信號的奈奎斯特帶寬內的全部其它頻率分量(包括諧波分量,但不包括直流允量)的總有效值之比。

  ADC的信噪比SNR,指ADC滿(mǎn)量程單頻理想正弦波輸入信號的有效值與ADC輸出信號的奈奎斯特帶寬內的全部其它頻率分量(不包括直流分量和諧波分量)總有效值之比。

  由此可知,當ADC的總諧波失真THD一定時(shí),有效位數ENOB取決于SNR;ADC的SNR越高,其有效位數ENOB就越高。下面就來(lái)分析影響ADC信噪比SNR的因素。

  理想ADC的噪聲由其固有的量化誤差(也稱(chēng)為量化噪聲,如圖1所示)產(chǎn)生。但實(shí)際使用的ADC是非理想器件,它的實(shí)際轉換曲線(xiàn)與理想轉換曲線(xiàn)之間存在偏差,表現為多種誤差,如零點(diǎn)誤差、滿(mǎn)度誤差、增益誤差、積分非線(xiàn)性誤差I(lǐng)NL、微分非線(xiàn)性誤差DNL等。其中,零點(diǎn)誤差、滿(mǎn)度誤差、增益誤差是恒定誤差,只影響ADC的絕對精度,不影響ADC的SNR。INL指的是在校準上述恒定誤差的基礎上,ADC實(shí)際轉換曲線(xiàn)與理想轉換曲線(xiàn)的最大偏差。而DNL指的是ADC實(shí)際量化間隔與理想量化間隔的最大偏差,改變ADC的量化誤差,能更直接地計算出ADC實(shí)際轉換曲線(xiàn)與理想轉換曲線(xiàn)的偏差對ADC的SNR的影響。

 
 
  非理想ADC,除了上述誤差外,還有各種噪聲,如熱噪聲、孔徑抖動(dòng)。前者是由半導體器件內部分子熱運動(dòng)產(chǎn)生的,后者是由ADC孔徑延時(shí)的不確定性造成的。而ADC的外圍電路同樣會(huì )帶來(lái)噪聲,如ADC輸入級電路的熱噪聲、電源/地線(xiàn)上的雜波、空間電磁波干擾、外接時(shí)鐘的不穩定性(導致ADC各采樣時(shí)鐘沿出現時(shí)刻不確定,帶來(lái)孔徑抖動(dòng))等,可以把它們都等效為ADC的上述兩種內部噪聲。
上述誤差和噪聲的存在,導致ADC的SNR下降。下面先給出理想ADC的SNR計算公式,然后具體分析微分非線(xiàn)性誤差DNL、孔徑抖動(dòng)△tj和熱噪聲對ADC的SNR的影響。

1.1理想ADC的SNR

  理想ADC的量化誤差g(υ)與滿(mǎn)量程內輸入信號的電壓V的關(guān)系如圖1所示。量化誤差為在[-q/2,q/2]內均勻分布且峰-峰值等于q(q=1LSB,LSB表示理想ADC的最小量化間隔)的鋸齒波信號。

  設N位ADC滿(mǎn)量程電壓為



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