理解模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲、ENOB和有效分辨率

　　ADC的主要趨勢之一是分辨率越來越高。這一趨勢影響各種應(yīng)用，包括工廠自動化、溫度檢測和數(shù)據(jù)采集。對更高分辨率的需求正促使設(shè)計者從傳統(tǒng)的12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC轉(zhuǎn)至分辨率高達(dá)24位的Δ-ΣADC。

　　所有的ADC都會具有一定的噪聲，這包括輸入?yún)⒖荚肼暎ˋDC固有噪聲）和量化噪聲（ADC轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的噪聲）。諸如噪聲、ENOB（有效位數(shù)）、有效分辨率和無噪聲分辨率等指標(biāo)在很大程度上定義了ADC的實(shí)際精度。所以，理解與噪聲相關(guān)的性能指標(biāo)是從SAR過渡至Δ-ΣADC最困難的方面之一。由于當(dāng)前對更高分辨率的迫切需求，設(shè)計者必須更好地理解ADC噪聲、ENOB、有效分辨率，以及信噪比（SNR）。本文的目的正基于此。

　　Δ-ΣADC的更高分辨率和價值

　　在過去，12位SAR ADC通常足以滿足各種信號和電壓輸入的測量。如果應(yīng)用中需要更為精細(xì)的測量，可在ADC之前增加增益級或可編程增益放大器（PGA）。

　　分辨率為16位時，設(shè)計者的選擇仍然主要是SAR ADC，但也包括部分Δ-ΣADC。然而，對于需要16位以上分辨率的設(shè)計，Δ-ΣADC則更為普遍。SAR ADC目前受限于18位，而Δ-ΣADC則延伸至18、20和24位。Δ-ΣADC還有其它優(yōu)勢。其價格在過去10年中已大幅下降，使用越來越簡單，已被廣泛接受。

　　有效分辨率

　　有效分辨率由下式定義（以位為單位）：

　　有效分辨率= log2 ［滿幅輸入電壓范圍/ADC RMS噪聲］

　　或更為簡單：

　　有效分辨率= log2 ［VIN/VRMS NOISE］

　　切勿將有效分辨率與ENOB相混淆，盡管兩者聽起來非常類似。測量ENOB的最常見方法是對ADC的正弦波輸入進(jìn)行FFT分析。IEEE（r）標(biāo)準(zhǔn)1057將ENOB定義為：

　　ENOB = log2 ［滿幅輸入電壓范圍/（ADC RMS噪聲× √12）］

　　SINAD定義為信噪比加失真比。SINAD和ENOB用于衡量ADC的動態(tài)性能。

　　所以：

　　SINAD = ［RMS輸入電壓/RMS噪聲電壓］

　　式中，RMS噪聲= 1/M［eq1。

　　式中，EAVM =剩余XAVM，XAVM（FM）為DFT之后規(guī)定離散頻率下的平均幅度譜分量。

　　有效分辨率和無噪聲分辨率本質(zhì)上衡量ADC在直流下的噪聲性能，此時頻譜失真（THD、SFDR）無關(guān)緊要。

　　知道ADC的噪聲和輸入范圍后，計算有效分辨率和無噪聲分辨率就很簡單。

　　ADC的輸入電壓范圍基于參考電壓。如果ADC集成PGA，也會影響電壓范圍。有些Δ-ΣADC包括PGA，以放大小信號。最新帶PGA的ADC往往規(guī)定噪聲小于100nVRMS。盡管這些噪聲系數(shù)與舊式ADC相比看起來很吸引人，但往往基于非常小的輸入范圍。這是因為小的輸入范圍最終會放大至適合更寬、基于參考電壓的ADC有效范圍。所以，盡管這些帶PGA的ADC的噪聲看起來很小，但有效分辨率和無噪聲分辨率可能并不像無PGA的ADC那么好。

　　簡單舉例說明。PGA設(shè)置為128的24位ADC，參考電壓為2.5V，輸入范圍為（VREF/PGA （（2.5V/128 = 39.1mV）時，噪聲為70nVRMS。因此，有效分辨率為：

　　log2 ［VIN/VRMS NOISE］ = log2 ［39.1mV/70nV］ = 19.1位

　　使用相同的ADC，PGA設(shè)置為1時，噪聲上升至1.53（VRMS。輸入范圍為5V （（2.5V/1）時，有效分辨率變?yōu)?1.6位。

　　最佳方法是參閱ADC的數(shù)據(jù)資料，檢查您所需的輸入范圍。