ADC信噪比分析及高速高分辨率ADC电路

在雷达、导航等军事领域中,由于信号带宽宽，要求ADC的采样率高于30MSPS,分辨率大于10位。目前高速高分辨率ADC器件在采样率高于10MSPS时,量化位数可达14位,但实际分辨率受器件自身误差和电路噪声的影响很大。在数字通信、数字仪表、软件无线电等领域中应用的高速ADC电路,在输入信号低于1MHz时,实际分辨率可达10位,但随输入信号频率的增加下降很快,不能满足军事领域的使用要求。 ADC（Analog-to-Digital Converter）是将模拟信号转换为数字信号的关键部件，在现代电子系统中扮演着至关重要的角色。高速高分辨率ADC尤其在雷达、导航等军事领域中有着广泛的应用，因为这些系统通常需要处理宽频带信号，对ADC的采样率和分辨率有较高要求。通常，采样率需超过30MSPS（百万样本每秒），分辨率至少为10位。当前的高速高分辨率ADC技术已经能够实现超过10MSPS采样率时的14位量化位数。 然而，实际分辨率受到ADC器件本身的误差和电路噪声的影响。在数字通信、数字仪表和软件无线电等领域，当输入信号频率较低时，例如低于1MHz，可以达到10位的分辨率，但随着输入信号频率的增加，分辨率会迅速下降，无法满足军事应用的需求。 本篇文章重点探讨了在不依赖过采样、数字滤波和增益自动控制等高级技术的情况下，如何提高高速高分辨率ADC的实际分辨率，以最大程度地接近ADC器件自身的理论分辨率，进而提升ADC电路的信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）。 ADC的信噪比是衡量其性能的重要指标，它直接影响到转换结果的精度。有效位数（Effective Number of Bits, ENOB）常用来表示ADC的实际分辨率。对于不采用过采样的情况，ENOB与ADC的信噪失真比（SINAD）有关，公式(1)给出了ENOB与SINAD的关系。SNR则是指输入信号有效值与ADC输出信号噪声的有效值之比，它与总谐波失真（THD）有关。当THD恒定时，SNR越高，ENOB越大。 影响ADC SNR的因素众多，包括量化误差（量化噪声）、非线性误差（如积分非线性误差INL和微分非线性误差DNL）、孔径抖动以及热噪声等。量化误差是ADC固有的，非理想ADC的量化间隔不均匀（DNL）会导致SNR下降。孔径抖动是由采样时钟不稳定引起的，它导致信号采样不一致，进而引入误差。热噪声源自半导体器件内部的分子热运动。 理想ADC的SNR可以通过计算量化噪声与输入信号电压有效值的比例得到，而实际ADC的SNR还会受到DNL、孔径抖动和热噪声等的影响。DNL会导致量化间隔不均匀，从而增加噪声；孔径抖动引起信号非均匀采样，增加误差；热噪声主要来源于半导体材料的热运动，对SNR也有负面影响。 通过深入理解这些影响因素，并在电路设计和器件选择上进行优化，文章中提出了一种高速高分辨率ADC电路。实测结果显示，当输入信号频率分别为0.96MHz和14.71MHz时，该电路的实际分辨率分别达到了11.36位和10.88位，显著提高了在高频信号下的转换精度。 提高ADC的信噪比和实际分辨率是一项复杂的任务，涉及到理论分析、电路设计和器件选择等多个层面。通过不断优化，可以克服高速高分辨率ADC在处理高频信号时分辨率下降的问题，从而更好地服务于军事和其他对信号质量有严格要求的领域。