详细讲解ADC 输入噪声的利弊

电路

ADC 是数模转换器的简称，诸多厂家都在积极制造更高性能的 ADC。在前文中，小编对如何提高 ADC 性能给出了部分建议。为增进大家对 ADC 的认识，本文将从两方面介绍 ADC：1.ADC 输入噪声有何利弊?2. 什么是高精度 ADC。

一、ADC 输入噪声利弊分析
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)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)。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σ,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σ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 LSB rms 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、去耦不当的接地输入端直方图

二、高精度 ADC
目前，世界上有多种类型的 ADC，有传统的并行、逐次通近型、积分型、压频变换型等，也有近年来新发展起来的∑-△型和流水线型 ADC，多种类型的 ADC 各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。精度的要求是 ADC 的一项重要指标。

基本原理：
A/D 转换器作为联系模拟领域到数字领域的纽带是十分重要的器件，己发展成多种系列，每一种均有其适用范围。总之 A/D 转换器是用途很广，发展十分迅速的器件，它在工业、国防、通讯、高科技等领域起着重要的作用。传统方式的 ADC，例如逐次通近型、积分型、压频变换型等，主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。在全并行基础上发展起来的分级型和流水线型人 D(主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域。此外，采用脉动型和折叠型等结构的高速 ADC，可应用于广播卫星中的基带解调等方面。这些高速 ADC 今后的发展方向是在现有高速基础上尽可能提高其分辨率，以满足兼顾高速、高精度的发展方向。20 世纪 90 年代以来获得很大发展的∑-△型 ADC 利用高抽样率和数字信号处理技术，将抽样，量化、数字信号处理融为了一体，从而获得了高精度的 ADC，目前可达 24 位，主要应用于高精度数据采集特别是数字音响系统、多媒体、地簇勘探仪器、声纳等电子测量领域。

下表是对现有的几种主要 ADC 类型作一简要总结。无论采用何种电路结构，若要提高转换速度。就要以较低的分辨宰和较大的功耗来作为代价:而要获得较高的分辨率，则要牺牲转换速度和功耗;为了降低功耗，却又得不到较高的速度和分辨率。因此在系统应用中，必须根据实际需要来选择适当电路结构和技术指标的 ADC。