ADC信噪比的分析及高速高分辨率ADC電路的實(shí)現

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