如何測量ADC噪聲

今天我們將通過介紹如何測量 ADC 噪聲、ADC 數(shù)據(jù)手冊中的噪聲規(guī)格以及絕對與相對噪聲參數(shù)來繼續(xù)基本的 ADC 噪聲討論。

本系列的第 1 部分討論了電氣系統(tǒng)中的噪聲、典型信號鏈中的噪聲原因、固有的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 噪聲以及高分辨率和低分辨率 ADC 中噪聲之間的差異，可在此處找到.

測量 ADC 噪聲

在我解釋德州儀器如何測量 ADC 噪聲之前，重要的是要了解，當您查看 ADC 數(shù)據(jù)表規(guī)格時，目標是表征 ADC，而不是系統(tǒng)。因此，TI 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)的局限性。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)表中報告的不同。

我們有兩種方法可以測量 ADC 噪聲。在第一種方法中，我們將 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（例如 1kHz 時的 1VPP）的正弦波，并報告 ADC 如何量化正弦波。圖 1 展示了這些類型的噪聲測量。

圖 1. 輸入短路測試設(shè)置 (a)；正弦波輸入測試裝置 (b)

通常，我們會根據(jù)其目標最終應(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。用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 Delta-Sigma ADC 通常依賴于正弦波輸入方法，其中交流性能至關(guān)重要。對于許多 ADC，數(shù)據(jù)表指定了兩種類型的測量。

例如，TI的 24 位ADS127L01具有512kSPS的高最大采樣率和低通帶紋波寬帶濾波器，可為測試和測量設(shè)備實現(xiàn)高分辨率 AC 信號采樣。然而，這些應(yīng)用通常也需要精確測量信號的直流分量。因此，我們不僅用多種采樣率下的一系列交流輸入信號來表征 ADC 的性能，而且使用輸入短路測試來表征 ADS127L01 的直流性能。

ADC 數(shù)據(jù)表中的噪聲規(guī)范

如果您查看 ADS127L01 的數(shù)據(jù)表（或任何 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。圖 2 顯示了使用幅度為 -0.5dbFS 和頻率為 4kHz 的輸入正弦波對 ADS127L01 噪聲性能的快速傅立葉變換 (FFT)。從該圖中，我們計算并報告了重要的 AC 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) .

圖 2. 具有 4kHz、-0.5dBFS 輸入信號的 ADS127L01 FFT 示例

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。從該圖中，我們計算并報告了重要的直流噪聲性能參數(shù)，例如輸入?yún)⒖荚肼?、有效分辨率和無噪聲分辨率。（注意：許多工程師將術(shù)語“ENOB”和“有效分辨率”同義地用于描述 ADC 的 DC 性能。然而，ENOB 純粹是源自 SINAD 的動態(tài)性能規(guī)范，并不意味著傳達 DC 性能。在本文的其余部分文章系列，我將相應(yīng)地使用這些術(shù)語。更全面的參數(shù)定義和方程，請參見表 1。）

圖 3 顯示了 ADS127L01 的噪聲直方圖。

圖 3. ADS127L01 噪聲直方圖示例

與 FFT 圖一樣，噪聲直方圖提供有關(guān)直流噪聲性能的重要圖形信息。由于噪聲直方圖具有高斯分布，因此平均（均方根 [RMS]）噪聲性能的定義通常是一個標準偏差——圖 4a 中的紅色陰影區(qū)域。

在圖 4b 中，藍色陰影區(qū)域描述了 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 個標準偏差給出。峰峰值噪聲定義了測量噪聲在此范圍內(nèi)的統(tǒng)計概率。如果您的輸入信號也落在此范圍內(nèi)，則它可能會被本底噪聲遮蔽，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，但代價是采樣時間更長。

圖 4. ADS127L01 RMS 噪聲 (a)；峰峰值噪聲 (b)

您還可以在任何 ADC 數(shù)據(jù)表的電氣特性部分中以數(shù)字形式找到上述交流和直流規(guī)范。該規(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 等參數(shù)。

表 1 總結(jié)了交流和直流噪聲參數(shù)、它們的定義和方程。

表 1：典型 ADC 噪聲參數(shù)及其定義和方程式

絕對與相對噪聲參數(shù)

表 1 中所有方程的一個重要特征是它們涉及一些值的比率。我們將這些定義為“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指標，通常是輸入信號（相對于載波的分貝 [dBc]）或滿量程范圍（相對于滿量程的分貝 [dBFS]）。

圖 5 顯示了使用 -0.5dBFS 輸入信號的 ADS127L01 的輸出頻譜，其中滿量程為 2.5V。如果您選擇的系統(tǒng)輸入信號不是以相同的滿量程電壓為參考，或者如果輸入信號幅度與數(shù)據(jù)表中定義的值不同，您不一定期望達到數(shù)據(jù)表的性能，即使所有您的其他輸入條件是相同的。

圖 5. ADS127L01 FFT，輸入電壓 (V IN ) 以滿量程為參考

同樣，對于 DC 噪聲參數(shù)，您可以從表 1 中看出，有效分辨率與給定工作條件下以及 ADC 的 FSR 下 ADC 的輸入?yún)⒖荚肼曅阅苡嘘P(guān)。由于 FSR 取決于 ADC 的參考電壓，因此使用數(shù)據(jù)表中使用的參考電壓以外的參考電壓會對 ADC 的性能指標產(chǎn)生影響。

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與參考電壓無關(guān)。對于噪聲由最低有效位 (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?，而最大輸入動態(tài)范圍保持大致相同。表 2 總結(jié)了這些影響。

表 2：改變參考電壓對 ADC 噪聲參數(shù)的影響

因此，為了表征 ADC 的最大動態(tài)范圍，大多數(shù) ADC 制造商使用 FSR 最大化的假設(shè)來指定有效分辨率和無噪聲分辨率。或者，換句話說，如果您的系統(tǒng)不使用最大 FSR（或制造商用來表征 ADC 的任何 FSR），您不應(yīng)期望達到數(shù)據(jù)表中指定的有效或無噪聲分辨率值。

讓我們通過使用 1V 參考電壓和 ADC 來說明這一點，該 ADC 的數(shù)據(jù)表噪聲以 2.5V 的參考電壓為特征。繼續(xù)以 ADS127L01 為例，圖 6 顯示在極低功耗 (VLP) 模式下使用 2.5V 參考電壓和 2kSPS 數(shù)據(jù)速率會產(chǎn)生 1.34μVRMS 的輸入?yún)⒖荚肼暫?21.83 位的有效分辨率。

圖 6. ADS127L01 噪聲性能：低延遲濾波器，AVDD = 3V，DVDD = 1.8V 和 VREF = 2.5V

但是，使用 1V 參考電壓會將 FSR 降低到 2V。您可以使用該值來計算新的預(yù)期有效分辨率（動態(tài)范圍），由公式 1 給出：

改變參考電壓會降低 ADC 的 FSR，與數(shù)據(jù)表值相比，這反過來又將其有效分辨率（動態(tài)范圍）降低了 1.3 位以上。等式 2 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，但請記住，雖然 FSR 正在降低，但輸入?yún)⒖荚肼晠s沒有。因此，我建議使用絕對噪聲參數(shù)或直接測量的參數(shù)來執(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性。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，我建議使用輸入?yún)⒖荚肼?。我將這句話加粗是因為使用輸入?yún)⒖荚肼晛矶x ADC 性能并不常見。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表擔憂。畢竟，如果您需要使用 24 位 ADC 來實現(xiàn) 16 位有效分辨率，那感覺就像您為 ADC 實際無法提供的性能付出了代價。

但是，16 位的有效分辨率并不一定會告訴您有關(guān)使用了多少 FSR 的任何信息。您可能只需要 16 位有效分辨率，但如果最小輸入信號為 50nV，您將永遠無法使用 16 位 ADC 來解決該問題。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?。這并不意味著有效分辨率不重要——只是它不是參數(shù)化系統(tǒng)的最佳方式。

最終，如果 ADC 不能同時解析最小和最大輸入信號，則最大化 SNR 或有效分辨率是無關(guān)緊要的。與有效分辨率不同，您通?？梢灾苯?、輕松地從系統(tǒng)規(guī)格中推導(dǎo)出 ADC 所需的輸入?yún)⒖荚肼暋＿@一特性使輸入相關(guān)噪聲分析對系統(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。

在本系列文章的第三部分中，我將詳細研究一個電阻橋設(shè)計示例，使用相對和絕對噪聲參數(shù)來定義系統(tǒng)分辨率，以證明每個參數(shù)的有效性。我還將展示每種參數(shù)類型如何影響 ADC 比較和選擇。

總結(jié)要點

以下是有助于更好地理解 delta-sigma ADC 中噪聲的要點摘要：

• 不同的測量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。
• 有效/無噪聲分辨率指標？通常，假設(shè)輸入信號 = FSR。
• 有兩種類型的噪聲參數(shù)：
  • 相對 – 使用測量值的比率計算。
  • 絕對值——直接測量。
• 輸入相關(guān)噪聲是 ADC 分辨率（最小可測量信號）的絕對量度。無噪聲位和有效分辨率是描述 ADC 動態(tài)范圍的相關(guān)參數(shù)。