好噪声？坏噪声？教你认识ADC输入噪声

所有模数转换器（ADC）都有一定数量的折合到输入端的噪声——它被看作一种与无噪声ADC的输入端串联的噪声源模型。不能把折合到输入端的噪声与量化噪声相混淆，量化噪声仅在ADC处理随时间变化的信号时有意义。 **模数转换器（ADC）**是数字系统与模拟世界之间的关键桥梁，它将连续的模拟信号转换为离散的数字表示。在ADC的设计和应用中，了解输入噪声至关重要，因为噪声会影响转换精度和系统的整体性能。 **输入噪声**是所有ADC都存在的现象，它被模型化为无噪声ADC输入端串联的一个噪声源。这种噪声不应与**量化噪声**混淆，后者只在ADC处理随时间变化的信号时才显现。量化噪声是由于ADC将连续信号分割成离散量化步骤而产生的不可避免的误差。 **折合到输入端的噪声**，也称为**编码变迁噪声**，是由于实际ADC与理想ADC的偏差导致的。理想的ADC在输入电压增加时会保持恒定的输出编码，直到达到一个阈值时瞬间跳变到下一个量化值。然而，实际ADC存在编码变迁噪声，导致输出编码的变迁区域具有一定的宽度，而不是理想的零宽度。这种噪声通常由内部电路元件如电阻器的噪声和热噪声（"kT/C"噪声）引起，即使在直流输入信号下也会存在。 **直方图分析**是评估折合到输入端噪声的一种常见方法，通过在ADC输入端保持恒定电压并收集大量输出样本来绘制直方图。高斯分布的直方图标准偏差σ可以计算，它代表了输入噪声的RMS值。通常，这种噪声以满度输入范围的RMS电压的LSB数表示。 **无噪声码分辨率**是ADC能够清晰区分的编码数量的限制，受制于输入噪声。无噪声码分辨率等于总转换编码数减去噪声引起的不确定编码数。计算公式为无噪声编码数量等于2的N次方减去噪声引起的LSB的RMS值乘以6.6，转换为P-P噪声后的编码数。这个概念通常与高分辨率Σ-Δ ADC相关，其无噪声码分辨率受到采样速率、数字滤波器带宽和PGA增益等因素的影响。 以**AD77301Σ-ΔADC**为例，其无噪声码分辨率可以根据输出数据速率、输入范围和PGA增益等参数进行计算。这种ADC在特定条件下可能提供16.5 bit的无噪声码分辨率，适用于要求高精度的应用，如精密电子秤。 总结来说，理解ADC的输入噪声和其影响是设计高效模拟/数字接口的关键。减少噪声可以提高系统精度，而了解无噪声码分辨率则有助于确定ADC在特定应用中的最佳工作条件。在实际应用中，良好的PCB布线、接地技术和电源去耦也是降低噪声、优化ADC性能的重要因素。