理解ADC的噪声_ENOB及有效分辨率
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|
43
technical feature
技术纵横
A
DC
的一个重要趋势是转向更高的分辨率。这
一趋势影响着一系列的应用，包括工厂自动
化、温度检测，以及数据采集。对更高分辨率
的需求使设计者们从传统的
12
位
SAR(
逐次逼近寄存器
)
ADC
，转向分辨率达
24
位的
Δ-
∑
ADC
。所有
ADC
都有某
种程度的噪声，包括输入相关噪声以及量化噪声，前者
是
ADC
本身固有的噪声，后者则是在
ADC
转换时出现的
噪声。噪声、
ENOB(
有效位数
)
、有效分辨率、无噪声分
辨率等指标基本上定义了一款
ADC
的精度。
因此，了解有关噪声的性能指标要比从
SAR
转向
Δ-
∑
ADC
更加困难。鉴于当前对更高分辨率的需求，设
计者必须更好地了解
ADC
噪声、
ENOB
、有效分辨率，
以及信噪比。
更高分辨率
过去，一只
12
位
SAR ADC
通常就足以测量各种信
号与电压输入。如果某个应用需要更精细的测量，设
计者可以在
ADC
前加一个增益级或
PGA(
可编程增益放
大器
)
。对于
16
位设计，设计者的选择仍然主要是
SAR
ADC
，但也包含了某些
Δ-
∑
ADC
。但对
16
位以上的设
计，
Δ-
∑
ADC
正在变得更加适用。
SAR ADC
现在有
18
位
的极限，而
Δ-
∑
ADC
正将自己的空间扩充到
18
位、
20
位
和
24
位。
ADC
的价格在过去
10
年有不小的下降，使用也
变得更简单，获得了更广泛的理解。
有效分辨率
下 式 定 义 了 有 效 分 辨 率 的 位 数 ： 有 效 分 辨 率
=
log
2
(
满量程输入电压范围
/ADC-rms
噪声
)
，或更简单地，
有效分辨率
=log
2
(V
IN
/V
RMSNOISE
)
。不要将有效分辨率与
ENOB
相混淆。测量
ENOB
的最常用方法是对
ADC
的一
个正弦波输入做快速傅里叶变换分析。
IEEE
标准
1057
将
ӭ
!
ೀ
EDNChina
关键字：
ADC，噪声，ENOB，有效分辨率，Maxim
理解ADC的噪声、ENOB
及有效分辨率
在选择自己需要的ADC时，噪声、ENOB有效分辨率都是关键的参数。
作者：Steve Logan，Maxim公司
ENOB
定义为：
log
2
[
满量程输入电压范围
/(ADC-rms
噪声
×
√
12)]
。
SINAD
定义为
SNR
与失真的比率，而
ENOB
用
于测量
ADC
的动态性能。因此，
SINAD=(rms
输入电压
/
rms
噪声电压
)
，其中，
rms
噪声为：
EDN MS4335 Equation 1.eps DIANE
EQUATION 1
E
AVMFM
.
∑
M−1
m=0
1/M
其中，
E
AVM
是
X
AVM
的余量，而
X
AVMFM
是在一次离散
傅里叶变换后，某个给定离散频率上的平均频谱分量。
有效分辨率与无噪声分辨率测量的是
ADC
在基础
dc
的噪声性能，它不是频谱失真中的因素，包括总谐波
失真和无寄生动态范围。一旦知道了
ADC
的噪声与输
入范围，对有效分辨率和无噪声分辨率的计算就变得
简单了。
ADC
的输入电压范围取决于基准电压。如果
ADC
包
含有一个
PGA
，则还要把
PGA
考虑到电压范围内。有些
Δ-
∑
ADC
包括了用于提高小信号增益的
PGA
。带
PGA
的
最新
ADC
通常都标示噪声小于
100nV rms
。虽然这个噪
声数字看似比老款
ADC
有吸引力，但它通常采用的是一
个小输入范围，根据基准电压，小的输入范围才能最终
放大以适配一个较宽的
ADC
有效范围。因此，这些
ADC
的有效分辨率与无噪声分辨率可能弱于那些不带
PGA
的
ADC
。
例如，考虑一个
PGA
设定为
128
的
24
位
ADC
。它
在
2.5V
基准电压下提供
7
0nV rms
的噪声，输入范围为
±
V
REF
/PGA(
±
2.5V/128=39.1mV)
。因此，有效分辨率
为
log
2
(V
IN
/V
RMSNOISE
)=log
2
(39.1mV/70nV)=19.1
位。采
用同一只
ADC
，
PGA
设定为
1
，则噪声上升到
1.53µV
rms
。输入范围为
5V(
±
2.5V/1)
时，有效分辨率变为
21.6
位。最佳方法是检查
ADC
数据表中的输入范围，看是否
符合自己的需要。
EDNC-201208-Technical Feature.indd 43 12-7-19 下午2:56
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