ADC噪聲測量方法和相關(guān)參數(shù)

ADC 噪聲測量方法和參數(shù)

在解釋如何測量 ADC 噪聲之前，重要的是要了解，當(dāng)您查看 ADC 數(shù)據(jù)表規(guī)格時，相關(guān)指標(biāo)參數(shù)表征對象是 ADC，而不是設(shè)計的電子系統(tǒng)。因此，ADC 制造商測試 ADC 噪聲的方式和測試系統(tǒng)本身應(yīng)該展示 ADC 的能力，而不是測試系統(tǒng)的限制。因此，在不同系統(tǒng)或不同條件下使用 ADC 可能會導(dǎo)致噪聲性能與數(shù)據(jù)表報告的不同。

ADC 制造商使用兩種方法來測量 ADC 噪聲。第一種方法將 ADC 的輸入短接在一起，以測量由于熱噪聲導(dǎo)致的輸出代碼的輕微變化。第二種方法涉及輸入具有特定幅度和頻率的正弦波（例如 1 kHz 時的 1 VPP）并報告 ADC 如何量化正弦波。下圖展示了這些類型的噪聲測量。

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通常，ADC 制造商會根據(jù)其目標(biāo)應(yīng)用選擇單個 ADC 的噪聲測量方法。例如，測量溫度或重量等緩慢移動信號的 delta-sigma ADC 使用輸入短路測試，該測試可精確測量直流性能。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用的 Delta-sigma ADC 通常依賴正弦波輸入方法，其中交流性能至關(guān)重要。對于許多 ADC，數(shù)據(jù)表指定了這兩種測量類型。因此，TI 不僅將 ADC 的性能與多種采樣率的一系列 AC 輸入信號，以及使用 input-short 測試的 ADS127L01 的 DC 性能。

ADC 數(shù)據(jù)表中的噪聲規(guī)格

如果您查看 ADS127L01 的數(shù)據(jù)表（或幾乎所有 ADC 數(shù)據(jù)表，就此而言），您會看到以兩種形式報告的噪聲性能：圖形和數(shù)字。下圖顯示了 ADS127L01 噪聲性能的快速傅立葉變換 (FFT)，使用幅度為 –0.5 dbFS 和 4 kHz 頻率的輸入正弦波。該圖可以計算和報告重要的交流參數(shù)，例如信噪比 (SNR)、總諧波失真 (THD)、信噪比和失真 (SINAD) 以及有效位數(shù) (ENOB) ?）。

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對于 DC 性能，噪聲直方圖顯示特定增益設(shè)置、濾波器類型和采樣率的輸出代碼分布。該圖可以計算和報告重要的直流噪聲性能參數(shù)，例如輸入?yún)⒖荚肼暋⒂行Х直媛屎蜔o噪聲分辨率。?（許多工程師將術(shù)語“ENOB”和“有效分辨率”同義地使用來描述 ADC 的直流性能。但是，ENOB 純粹是源自 SINAD 的動態(tài)性能規(guī)范，并不意味著傳達(dá)直流性能。

下圖顯示了 ADS127L01 的噪聲直方圖。

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與 FFT 圖一樣，噪聲直方圖提供了有關(guān) DC 噪聲性能的重要圖形信息。由于噪聲直方圖具有高斯分布，平均（均方根 [RMS]）噪聲性能的定義通常是一個標(biāo)準(zhǔn)偏差——下圖中的紅色陰影區(qū)域。

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在下圖中，藍(lán)綠色陰影區(qū)域描繪了 ADC 的峰峰值 (VN,PP) 噪聲性能。由于高斯噪聲的波峰因數(shù)，即峰值與平均值的比值，峰峰值噪聲以 6 或 6.6 個標(biāo)準(zhǔn)差給出。峰峰值噪聲定義了測量噪聲在此范圍內(nèi)的統(tǒng)計概率。如果輸入信號也落在此范圍內(nèi)，則它可能會被本底噪聲遮擋，從而導(dǎo)致代碼閃爍。額外的過采樣將有助于降低峰峰值噪聲，但代價是更長的采樣時間。

還可以在大多數(shù) ADC 數(shù)據(jù)表的電氣特性部分以數(shù)字形式找到上述 AC 和 DC 規(guī)格。此規(guī)則的一個例外涉及帶有集成放大器的 ADC，其中噪聲性能隨增益和數(shù)據(jù)速率而變化。在這種情況下，通常有一個單獨的噪聲表用于參數(shù)，例如輸入?yún)⒖荚肼暎≧MS 或峰峰值）、有效分辨率、無噪聲分辨率、ENOB 和 SNR。

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交流和直流噪聲參數(shù)定義、測試以及相關(guān)公式

下表總結(jié)了交流和直流噪聲參數(shù)、它們的定義、適用的噪聲測試和公式。

Noise parameter	Definition	Noise test	Equation (units)
Input-referred noise	ADC 的分辨率或內(nèi)部噪聲（加上集成器件的可編程增益放大器 [PGA] 噪聲）指定為應(yīng)用于 ADC 輸入引腳的噪聲電壓源（增益之前）。	NA	實測 (VRMS,VPP)
SNR	輸出信號幅度與輸出噪聲電平的比值，不包括諧波或直流。	輸入正弦波 (AC)
THD	根據(jù)對信號諧波含量的影響，指示電路的線性度，以總諧波與 RMS 信號幅度之比給出。	輸入正弦波 (AC)
SINAD	輸出信號的 RMS 值與所有其他頻譜分量（不包括 DC）的 RMS 值之比。	輸入正弦波 (AC)
有效分辨率	動態(tài)范圍品質(zhì)因數(shù)使用滿量程 (FSR) 與 RMS 噪聲電壓之比來定義 ADC 的噪聲性能。	直流輸入 (DC)
Noise-free resolution 無噪音分辨率	動態(tài)范圍品質(zhì)因數(shù)使用 FSR 與峰峰值噪聲電壓的比率來定義不受峰峰值噪聲影響的最大位數(shù)。	直流輸入 (DC)
Noise-free counts 無噪音計數(shù)	表示您可以通過噪聲實現(xiàn)的無噪聲代碼（或計數(shù)）數(shù)量的品質(zhì)因數(shù)。	直流輸入 (DC)
ENOB	品質(zhì)因數(shù)將 SINAD 性能與具有一定位數(shù)（由 ENOB 給出）的理想 ADC 分辨率相關(guān)聯(lián)。	輸入正弦波 (AC)

絕對與相對噪聲參數(shù)

上表中所有方程的一個重要特征是它們涉及一些值的比率。這些是“相對參數(shù)”。顧名思義，這些參數(shù)提供了相對于某個絕對值的噪聲性能度量，通常是輸入信號（相對于載波的分貝 [dBc]）或 FSR（相對于滿量程的分貝 [dBFS]）。

下圖顯示了使用 –0.5 dBFS 輸入信號的 ADS127L01 的輸出頻譜，其中滿量程為 2.5 V。

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如果選擇的系統(tǒng)輸入信號沒有參考相同的滿量程電壓，或者如果輸入信號幅度與數(shù)據(jù)表中定義的值不同，則您不一定期望達(dá)到數(shù)據(jù)表的性能，即使其他輸入條件相同。

同樣，對于直流噪聲參數(shù)，可以從表中看到，有效分辨率與給定工作條件下 ADC 的輸入?yún)⒖荚肼曅阅芤约?ADC 的 FSR 相關(guān)。由于 FSR 取決于 ADC 的參考電壓，因此使用數(shù)據(jù)表中未列出的參考電壓會影響 ADC 的性能指標(biāo)。

對于高分辨率 ADC，增加參考電壓會增加最大輸入動態(tài)范圍，而輸入?yún)⒖荚肼暠３植蛔?。這是因為高分辨率 ADC 噪聲性能在很大程度上獨立于參考電壓。

對于噪聲主要由 LSB 大小決定的低分辨率 ADC，增加參考電壓實際上會增加輸入?yún)⒖荚肼暎畲筝斎雱討B(tài)范圍保持大致相同。

下表總結(jié)了這些影響。

因此，為了表征 ADC 的最大動態(tài)范圍，大多數(shù) ADC 制造商指定有效分辨率和無噪聲分辨率，并假設(shè) FSR 最大化?；蛘?，換句話說，如果系統(tǒng)不使用最大 FSR（或制造商用于表征 ADC 的任何 FSR），則不應(yīng)期望達(dá)到數(shù)據(jù)表中指定的有效或無噪聲分辨率值。

通過 ADC 使用 1V 參考電壓來說明這一點，ADC 的數(shù)據(jù)表噪聲以 2.5V 參考電壓為特征。繼續(xù)以 ADS127L01 為例，下表顯示使用 2.5V 參考電壓和 極低功耗模式下的 2kSPS 數(shù)據(jù)速率可產(chǎn)生 1.34 μVRMS 的輸入?yún)⒖荚肼暫?21.83 位的有效分辨率。

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但是，使用 1V 參考電壓會將 FSR 降低到 2V。可以使用這個 2V 值來計算新的預(yù)期有效分辨率（動態(tài)范圍），如公式所示：

更改參考電壓會降低 ADC 的 FSR，進(jìn)而將其有效分辨率（動態(tài)范圍）與數(shù)據(jù)表中的值相比降低 1.3 位以上。等式概括了這種分辨率損失：

其中，% 利用率只是實際 FSR 與表征 ADC 噪聲的 FSR 之比。

雖然這種明顯的分辨率損失似乎是使用高分辨率 delta-sigma ADC 的一個缺點，但雖然 FSR 正在降低，但輸入?yún)⒖荚肼晠s沒有。

因此，建議使用絕對噪聲參數(shù)或直接測量的參數(shù)執(zhí)行 ADC 噪聲分析。使用絕對噪聲參數(shù)消除了相對噪聲參數(shù)對輸入信號和參考電壓特性的依賴。此外，絕對參數(shù)簡化了 ADC 噪聲和系統(tǒng)噪聲之間的關(guān)系。

對于 ADC 噪聲分析，建議使用輸入?yún)⒖荚肼暋?事實上，大多數(shù)工程師只談?wù)撚行Ш蜔o噪聲分辨率等相關(guān)參數(shù)，并且在無法最大化這些值時深感擔(dān)憂。畢竟，如果需要使用 24 位 ADC 來實現(xiàn) 16 位有效分辨率，就好像在為 ADC 實際無法提供的性能付出代價。

但是，16 位的有效分辨率并不一定能告訴使用了多少 FSR?？赡苤恍枰?16 位的有效分辨率，但如果最小輸入信號為 50 nV，將永遠(yuǎn)無法使用 16 位 ADC 解決該問題。因此，高分辨率 delta-sigma ADC 的真正優(yōu)勢在于它提供的低輸入?yún)⒖荚肼曀?。這并不意味著有效的分辨率不重要，只是它不是參數(shù)化系統(tǒng)的最佳方法。

最終，如果 ADC 不能同時解析最小和最大輸入信號，那么最大化 SNR 或有效分辨率就無關(guān)緊要了。與有效分辨率不同的是，您通常可以從系統(tǒng)規(guī)范中直接輕松地推導(dǎo)出 ADC 所需的輸入?yún)⒖荚肼?。這一特性使輸入?yún)⒖荚肼暦治鰧ο到y(tǒng)變化更加靈活。此外，它還可以輕松比較不同的 ADC，以便為任何應(yīng)用選擇特定的 ADC。

小結(jié)

不同的測量可以量化不同類型的噪聲：

要測量交流噪聲性能，請使用交流信號應(yīng)用測試。

要測量直流噪聲性能，請使用輸入短路測試。

ADC 終端應(yīng)用通常決定噪聲測量類型。

噪聲通過所有信號鏈組件引入，通常，假設(shè)輸入信號等于 FSR。

有兩種類型的噪聲參數(shù)：

相對——使用測量值的比率計算。

絕對——直接測量。

輸入?yún)⒖荚肼暿?ADC 分辨率（最小可測量信號）的絕對測量值，無噪聲位和有效分辨率是描述 ADC 動態(tài)范圍的相對參數(shù)。