ADC输入噪声面面观

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1、ADC输 入噪 声面 面观 噪 声是 利还 是弊 ？所有 模数 转换 器 （ ADC） 都有 一定量 的 折合 到输入 端噪声 ,可以 将其 模拟 为与 无噪声 ADC输入 串联的 噪声源 。 折合 到输入 端噪声 与量化 噪声不 同 ， 后者 仅在 ADC处理交 流信号 时出现 。多数 情况下 ，输入 噪声越 低越好 ，但在 某些情 况下， 输入噪 声实际 上有助 于实现 更高的 分辨率 。这似 乎毫无 道理， 不过继 续阅读 本指南 ，就会 明白为 什么有 些噪声 是好的 噪声。折合 到输入 端噪声 （代码 跃迁噪 声）实际 的 ADC在许 多方面 与理想 的 ADC有偏 差 。 折合 到

2、输入 端的噪 声肯定 不是理 想情况 下会出 现的， 它对 ADC整体 传递函 数的影 响如图 1所示 。随着 模拟输 入电压提高 ， 理想 ADC（如 图 1A所示 ）保持 恒定的 输出代 码，直 至达到 跃迁区 ，此时输出 代码即 刻跳变 为下一 个值， 并且保 持该值 ，直至 达到下 一个跃 迁区。 理论上 ，理 想 ADC的 代码 跃迁 噪声 为 0,跃迁 区宽度 也等 于 0.实际 的 ADC具有 一定量 的代码跃 迁噪声 ，因此 跃迁区 宽度取 决于折 合到输 入端噪 声的量 （如图 1B所示 ）。 图1B显示 的情况 是代码 跃迁噪 声的宽 度约为 1个 LSB（最 低有效 位）

3、峰 峰值。图 1:代码 跃迁噪 声（折 合到输 入端噪 声）及 其对 ADC传递 函数的 影响由于 电阻噪 声和 kT/C噪声 ， 所有 ADC内部 电路都 会产生 一定量 的均方 根 （ RMS）噪声 。即使 是直流 输入信 号，此 噪声也 存在， 它是代 码跃迁 噪声存 在的原 因。如 今通常 把代码 跃迁噪 声称为 折合 到输入 端噪声 ,而不 是直接 使用 代码 跃迁噪 声 这一说法 。折合 到输入 端噪声 通常用 ADC输入 为直流 值时的 若干输 出样本 的直方 图来表征 。大多 数高速 或高分 辨率 ADC的输 出为一 系列以 直流输 入标称 值为中 心的代码 （ 见图 2） 。

4、 为了 测量其 值 ， ADC的输 入端接 地或连 接到一 个深度 去耦的 电压源 ，然后 采集大 量输出 样本并 将其表 示为直 方图（ 有时也 称为 接地 输入 直方 图）。 由于噪 声大致 呈高斯 分布， 因此可 以计算 直方图 的标准 差 ,它对 应于有 效输入 均方根噪声 。参考 文献 1详细 说明了 如何根 据直方 图数据 计算 值。 该均方 根噪声 虽然可以表 示为以 ADC满量 程输入 范围为 基准的 均方根 电压， 但惯例 是用 LSBrms来表示。图 2:折合 到输入 端噪声 对 ADC接地 输入端 直方 图的影 响（ ADC具有 少量 DNL）虽然 ADC固有 的微分 非

5、线性 （ DNL）可 能会导 致其噪 声分布 与理想 的高斯 分布有细微 的偏差 （ 图 2示例 中显示 了部分 DNL） ， 但它 至少大 致呈高 斯分布 。 如果 DNL比较 大，则 应计算 多个不 同直流 输入电 压的值 ，然后 求平均 值。例 如，如 果代码 分布具 有较大 且独特 的峰值 和谷值 ，则表 明 ADC设计 不佳， 或者更 有可能 的是 PCB布局 布线错 误 、 接地 不良 、 电源 去耦不 当 （ 见图 3） 。 当直 流输入 扫过 ADC输入 电压范 围时， 如果分 布宽度 急剧变 化，这 也表明 存在问 题。图 3:设计 不佳的 ADC和 /或布 局布线 、接地

6、、去耦 不当的 接地输 入端直 方图无噪 声（无 闪烁） 代码分 辨率ADC的无 噪声代 码分辨 率是指 这样一 个位数 ， 如果 超过该 位数 ， 则无 法明确 无误地解析 各个代 码，原 因是存 在所有 ADC都具 有的有 效输入 噪声（ 或折合 到输入 端噪声 ） ， 如上 文所述 。 该噪 声可以 表示为 均方根 量 ， 单位 通常是 LSBrms.乘以 系数 6.6可以 将均方 根噪声 转换为 峰峰值 噪声 （ 用 LSB峰峰 值 表示 ） 。 N位 ADC的总 范围为 2NLSB.因此 ，无噪 声采样 总数等 于：对无 噪声采 样数求 以 2为底 的对数 可以得 到无噪 声代码 分

7、辨率 ：无噪 声代码 分辨率 规格一 般与高 分辨率 -型测 量 ADC相关 ，通常 是采样 速率、 数字滤波 器带宽 和可编 程增益 放大器 （ PGA）增 益的函 数。图 4所示 为从 -型测 量 ADCAD7730获得 的一个 典型数 据表。图 4:-型 ADCAD7730的无 噪声代 码分辨 率注意 ， 当输 出数据 速率为 50Hz、 输入 范围为 10mV时 ， 无噪 声代码 分辨率 为 16.5位（ 80,000无噪 声采样 ）。这 些条件 下的建 立时间 为 460ms,因此 该 ADC是精 密电子 秤应用 的理想 之选。 对于适 合精密 测量应 用的高 分辨率 -型 ADC,

8、大部 分数据 手册都 提供了 类似的 数据。有时 候会利 用满量 程范围 与均方 根输入 噪声（ 而非峰 峰值噪 声）的 比值来 计算分 辨率， 该分辨 率称为 有效 分辨率 .注意 ：在相 同条件 下，有 效分辨 率比无 噪声代 码分辨率 高 log2（ 6.6）， 约 2.7位。有些 制造商 更愿意 规定有 效分辨 率，而 不是无 噪声代 码分辨 率，因 为前者 的位数 较高。 用户应 仔细检 查数据 手册， 弄清它 到底指 定哪一 种分辨 率。通过 数字均 值法提 高 ADC分辨 率并降 低噪声折合 到输入 端噪声 的影响 可以通 过数字 均值方 法降低 。假设 一个 16位 ADC具

9、有15位无 噪声分 辨率 ， 采样 速率为 100kSPS.对于 每个输 出样本 ， 如果 对两个 样本进行平 均 ， 则有 效采样 速率降 至 50kSPS,SNR提高 3dB,无噪 声位数 提高到 15.5位 。如果 对四个 样本进 行平均 ， 则采 样速率 降至 25kSPS,SNR提高 6dB,无噪 声位数 提高到 16位。事实 上 ， 如果 对 16个样 本进行 平均 ， 则输 出采样 速率降 至 6.25kSPS,SNR再提 高6dB,无噪 声位数 提高到 17位。 为了利 用额外 的 分辨 率 ,均值 算法必 须在较 大的有效位 数上执 行。均值 过程还 有助于 消除 ADC传递

10、 函数的 DNL误差 ， 这可 以通过 下面的 简单例 子来说明 ：假设 ADC在量 化电平 k处有 一个失 码，虽 然代码 k由于 DNL误差 较大而丢失 ，但两 个相邻 代码 k1和 k+1的平 均值等 于 k.因此 ，可以 利用该 技术来 有效提 高 ADC的动 态范围 ，代价 是整体 输出采 样速率 降低并 且需要 额外的 数字硬 件。不 过应注 意，均 值并不 能校正 ADC固有 的积分 非线性。现在 考虑这 样一种 情况 ： ADC的折 合到输 入端噪 声非常 低 ， 直方 图总是 显示一 个明确的 代码 ， 对于 这种 ADC,数字 均值有 何作用 呢？答 案很简 单 -没有 作

11、用 ！ 无论 对多少样 本进行 平均， 答案始 终相同 。但只 要将足 够大的 噪声增 加到输 入信号 中，使 得直方 图中有 一个以 上的代 码，那 么均值 方法又 会发挥 效用。 因此， 少量噪 声可能 是好事 情（至 少对于 均值方 法而言 ），但 输入端 存在的 噪声越 高，为 实现相 同分辨 率所需 的均值 样本数 越多。切勿 将有效 位数（ ENOB）与 有效分 辨率或 无噪声 代码分 辨率混 为一谈由于 这些术 语名称 相似 ， 有效 位数 和 有效 分辨率 常被 误认为 是一回 事 ， 事实 并非如此 。有效 位数（ ENOB）来 自对 ADC输出 的 FFT分析 ，条件 是用

12、一 个满量 程正弦 波输入信 号激励 ADC.计算 所有噪 声和失 真项的 和方根 （ RSS）值 ，信号 对噪声 和失真的比 值定义 为信纳 比 SINAD或 S/（ N+D）。 理想 N位 ADC的理 论 SNR为：将计 算所得 的 SINAD值替 换等式 5中的 SNR,并求 解 N,便得 到 ENOB:用于 计算 SINAD和 ENOB的噪 声和失 真不仅 包括折 合到输 入端噪 声，而 且包括 量化噪 声和失 真项 。 SINAD和 ENOB用于 衡量 ADC的动 态性能 ， 有效 分辨率 和无噪声代 码分辨 率则用 于衡量 ADC在无 量化噪 声的直 流输入 条件下 的噪声 。利用

13、 噪声扰 动提高 ADC无杂 散动态 范围对于 高速 ADC,若要 最大程 度地提 高 SFDR,存在 两个基 本限制 ：第一 是前端 放大器和采 样保持 电路产 生的失 真；第 二是 ADC编码 器部分 的实际 传递函 数的非 线性所导致 的失真 。提高 SFDR的关 键是尽 可能降 低以上 两种非 线性。要显 着降低 ADC前端 引起的 固有失 真，在 ADC外部 着力是 徒劳的 。然而 ， ADC编码 器传递 函数的 微分非 线性可 以通过 适当利 用扰动 （即外 部噪声 ，与 ADC的 模拟 输入 信号相 加）来 降低。在一 定的条 件下 ， 扰动 可以改 善 ADC的 SFDR（ 参

14、考 文献 2-5） 。 例如 ， 即使 在理想 ADC中 ， 量化 噪声与 输入信 号也有 某种相 关性 ， 这会 降低 ADC的 SFDR,特别 是当输 入信号 恰好为 采样频 率的约 数时 。 将宽 带噪声 （ 幅度 约为？ LSBrms） 与输 入信号 相加往 往会使 量化噪 声随机 化 ， 从而 降低其 影响 （ 见图 5A） 。 然而 ， 在大 多数系统 中 ， 信号 之上有 足够的 噪声 ， 因此 无需额 外添加 扰动噪 声 。 ADC的折 合到输 入端噪 声也可 能足以 产生同 样的效 果 。 将宽 带均方 根噪声 电平提 高约 1LSB以上 会成比例 地降低 ADCSNR,且性

15、 能不会 有进一 步的提 高。还有 其它一 些方案 ，都使 用更大 数量的 扰动噪 声，使 ADC的传 递函数 随机化 。 图5B还显 示了一 个由驱 动 DAC的伪 随机数 发生器 组成的 扰动噪 声源 ， 此信 号从 ADC输入 信号中 减去后 ， 以数 字方式 增加到 ADC输出 中 ， 从而 不会导 致 SNR性能 显着下降 。这种 技术本 身有一 个缺点 ，即随 着扰动 信号的 幅度增 大，允 许的输 入信号 摆幅会 减小。 之所以 需要减 小信号 幅度， 是为了 防止过 驱 ADC.应当 注意， 这种方 案不能 显着改 善 ADC前端 产生的 失真 ， 只能 改善 ADC编码 器传

16、递 函数的 非线性 所引起的 失真。图 5:利用 扰动使 ADC传递 函数随 机化还有 一种方 法更容 易实现 ，尤其 是在宽 带接收 机中， 即注入 信号目 标频带 以外的 一个窄 带扰动 信号 ， 如图 6所示 。 一般 来说 ， 信号 成分不 会位于 接近 DC的频 率范围 ，因此 该低频 区常用 于这种 扰动信 号 。 扰动 信号可 能还位 于略低 于 fs/2的地 方 。 相对于信 号带宽 ， 扰动 信号仅 占用很 小的带 宽 （ 数百 kHz带宽 通常即 足够 ） ， 因此 SNR性能 不会像 在宽带 扰动下 那样显 着下降 。图 6:注入 带外扰 动以改 善 ADCSFDR分级 流水线 式 ADC,例如 图 7所示 的 14位 105MSPSADCAD6645,在 ADC范围内的 特定代 码跃迁 点有非 常小的 差分非 线性误 差。 AD6645由一 个 5位 ADC1、一个 5位 ADC2和一 个 6