ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器噪聲它從何而來呢？

這個(gè)問題圍繞著 ADC 的噪聲貢獻(xiàn)者展開。在評(píng)估 ADC 的噪聲時(shí)，我們需要考慮哪些事項(xiàng)？噪聲可以多種方式進(jìn)入 ADC。在接下來的幾篇博客中，我們將了解噪聲進(jìn)入 ADC 并可能出現(xiàn)在輸出數(shù)據(jù)的 FFT 中的所有途徑。首先，我們將從確定門口開始。

考慮 ADC 中的噪聲時(shí)，幾乎可以將 ADC 視為混頻器。如果有噪聲從各種通道中的任何一個(gè)進(jìn)入 ADC，那么它會(huì)在輸出數(shù)據(jù)的 FFT 中表現(xiàn)出來。如圖 1 所示，噪聲可以通過電源輸入、模擬輸入和時(shí)鐘進(jìn)入轉(zhuǎn)換器。

圖1

ADC 噪聲“門道”

由于噪聲在這里是一個(gè)相當(dāng)寬松的術(shù)語，讓我們根據(jù)正在討論的 ADC 的輸入（門道）來賦予它更多的含義。我們將從圖的頂部開始，逆時(shí)針方向工作。

電源輸入是噪聲進(jìn)入 ADC 并出現(xiàn)在輸出數(shù)據(jù)的 FFT 中的途徑。在這種情況下，有幾種方法可以評(píng)估這種噪聲及其對(duì) ADC 性能的影響。ADC 的設(shè)計(jì)方式應(yīng)使器件本身能夠衰減來自電源的噪聲輸入。此處用于評(píng)估電源噪聲的測(cè)量是電源抑制比 (PSRR) 和電源調(diào)制比 (PSMR)。測(cè)量這兩個(gè)參數(shù)讓我們了解 ADC 處理通過電源輸入進(jìn)入的噪聲的能力。稍后我們將對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的介紹?，F(xiàn)在，讓我們繼續(xù)看看噪音門道。

接下來，讓我們看一下ADC的模擬輸入。從這個(gè)角度來看，必須從兩個(gè)方面考慮噪聲。首先，一般寬帶噪聲通過模擬輸入進(jìn)入轉(zhuǎn)換器，并且通常來自信號(hào)鏈中 ADC 之前的組件。我們可以為 ADC 選擇噪聲極低的驅(qū)動(dòng)放大器，但仍然會(huì)有一定數(shù)量的噪聲被放大并輸入到 ADC。

為了幫助解決這個(gè)問題，通常在 ADC 的輸入端使用抗混疊濾波器 (AAF)。這有助于過濾大部分可能進(jìn)入 ADC 的寬帶噪聲。這最終會(huì)顯示在 ADC 的信噪比 (SNR) 中。除了寬帶噪聲之外，雜散成分和諧波也可以通過模擬輸入進(jìn)入 ADC。AAF 也有助于過濾這些。這將通過 ADC 的無雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 反映出來。擁有良好的 AAF 設(shè)計(jì)以幫助解決這兩個(gè)方面非常重要。同樣，我們將在以后的博客中更詳細(xì)地討論這一點(diǎn)。

我們?cè)?ADC 周圍逆時(shí)針移動(dòng)時(shí)看到的最后一扇門是時(shí)鐘輸入。該輸入與模擬輸入類似，允許寬帶噪聲以及寄生和諧波成分進(jìn)入 ADC 并出現(xiàn)在輸出數(shù)據(jù)的 FFT 中。重要的是要確保選擇合適的時(shí)鐘輸入驅(qū)動(dòng)器，為 ADC 提供干凈、低抖動(dòng)的輸入時(shí)鐘。

該時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)以不會(huì)耦合進(jìn)入 ADC 的噪聲的方式路由到 ADC。與模擬輸入類似，可以在時(shí)鐘輸入上使用濾波器來幫助濾除可能通過時(shí)鐘輸入進(jìn)入 ADC 的噪聲。同樣，與模擬輸入的情況一樣，通過時(shí)鐘輸入的噪聲機(jī)制可以在 ADC 的 SNR 和 SFDR 性能中體現(xiàn)出來。

在使用 ADC 設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，必須考慮所有這些門道。我們看到我們應(yīng)該將 ADC 視為一個(gè)混合器，它將來自這些門道中任何一個(gè)的各種噪聲內(nèi)容混合到 FFT 的輸出數(shù)據(jù)中。顯然，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望僅在 ADC 的輸出端獲得所需信號(hào)。為此，我們必須對(duì)這些輸入中的每一個(gè)采取適當(dāng)?shù)牟襟E，以確保將噪音降至最低并且不會(huì)進(jìn)入這些門口。請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注我們深入研究這些輸入中的每一個(gè)，并更詳細(xì)地評(píng)估噪聲如何耦合到 ADC 中以及可以采取哪些措施來幫助防止它。

在考慮 ADC 中的噪聲時(shí)，人們幾乎可以將 ADC 視為混頻器。如果有噪聲從各種通道中的任何一個(gè)進(jìn)入 ADC，那么它會(huì)在輸出數(shù)據(jù)的 FFT 中表現(xiàn)出來。現(xiàn)在讓我們看一下我在上一篇博客中介紹的圖形的修改版本。

圖 1 顯示了我們之前討論的噪聲門道，其中包括電源輸入、模擬輸入和時(shí)鐘。然而，還有一些我錯(cuò)過的途徑，我們?cè)谑褂?ADC 時(shí)絕對(duì)應(yīng)該考慮這些途徑。第一個(gè)是共模電壓 (Vcm) 輸出，它為模擬輸入提供共模電平。接下來是數(shù)字輸入和輸出 (I/O)，它們可能是噪聲進(jìn)入 ADC 的途徑。最后，有一個(gè)門口可能是最容易被忽視的門口之一——地面或公共電路。

額外的 ADC 噪聲“門道”

如今，許多高速 ADC 使用 Vcm 輸出為 ADC 模擬輸入提供共模參考電壓。它是 ADC 輸入的最小到最大范圍內(nèi)的中點(diǎn)電壓。該引腳通常需要一個(gè)大約 0.1μF 的去耦電容。這為輸出穩(wěn)定性以及高頻噪聲的過濾提供了主導(dǎo)極點(diǎn)。進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜ヱ詈苤匾?，因?yàn)樵摴?jié)點(diǎn)為進(jìn)入 ADC 模擬輸入的噪聲提供了一條潛在的直接線路。即使它是一個(gè)輸出，噪聲也會(huì)強(qiáng)行進(jìn)入 ADC 的內(nèi)部偏置電路。

除了電容器，許多具有兩個(gè)或更多通道的 ADC 還需要在從 Vcm 輸出到每個(gè)通道的每個(gè)連接中串聯(lián)少量電阻。這也是一種降噪形式，因?yàn)樗ǔＳ兄跍p少 ADC 通道之間的串?dāng)_。另一種說法是，額外的串聯(lián)電阻有助于改善通道間隔離，這樣來自一個(gè)通道的信號(hào)就不會(huì)進(jìn)入另一個(gè)通道。

ADC 的數(shù)字 I/O 線也是噪聲的入口。數(shù)字 I/O 有幾種不同的功能，因此噪聲通過每種功能進(jìn)入 ADC 的方式也不同。最明顯的是數(shù)字輸出接口。由于采用單端實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)于具有 CMOS 輸出的 ADC，這是一個(gè)更值得關(guān)注的問題。

通常，具有 LVDS 輸出或采用串行 JESD204B 接口的 ADC 對(duì)噪聲耦合的免疫力要強(qiáng)得多。除了數(shù)字輸出之外，ADC 本身內(nèi)部的數(shù)字電路數(shù)量也在不斷增加，這些電路為通過控制線的噪聲提供了一些潛在的入口點(diǎn)。隨著數(shù)字內(nèi)容的增加，需要為這些功能提供 I/O。有時(shí)額外的 I/O 是通過 SPI（串行端口接口）完成的。有時(shí)，SPI 并不能完全滿足所有要求。

關(guān)于 SPI 的旁注：SPI 不僅是一個(gè)潛在的噪聲門道，它還會(huì)導(dǎo)致其他轉(zhuǎn)換問題。各種建議表明在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)（轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時(shí)）不要訪問 ADC 的 SPI。

其他 I/O 包括模式控制、斷電、待機(jī)、超量程指示器、同步引腳等。這些都是需要注意的事項(xiàng)，除了良好的布局實(shí)踐之外，還要確保使用適當(dāng)?shù)娜ヱ钜员苊庠肼曬詈稀?/p>

可能最容易被忽視的入口（我上次當(dāng)然也忽略了這一點(diǎn)）是 ADC 的地面。請(qǐng)注意，當(dāng)我說接地時(shí)，我指的是電路公共端。另請(qǐng)注意，通常有多個(gè)接地連接，例如模擬接地和數(shù)字接地。對(duì)于這兩個(gè)理由，您有時(shí)需要考慮它們?cè)谀睦锝壎ɑ蚶壴谝黄?。這是另一個(gè)博客的主題。

地面通常被認(rèn)為是自然而然的可靠參考點(diǎn)。但是，接地并不總是穩(wěn)定的參考點(diǎn)，可能會(huì)使噪聲進(jìn)入 ADC。重要的是要注意系統(tǒng)設(shè)計(jì)和布局中的接地平面，以確保有足夠的平面區(qū)域而不會(huì)中斷，并且有足夠的接地過孔以允許正確的電流返回路徑。必須考慮設(shè)計(jì)中的所有電流返回路徑，而不是假設(shè)接地是穩(wěn)定的參考點(diǎn)。

如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，噪聲可能會(huì)出現(xiàn)在接地層中并進(jìn)入 ADC。查看 Bill Schweber 的博客（Under）standing Your Ground和 Bruce Archambeault 的博客The Ground Myth，以獲得對(duì)接地、接地電流、接地阻抗和電磁場(chǎng)主題的更多見解。Bruce 特別討論了走線中流動(dòng)的電流如何與走線正下方層中的接地層或電源層相互作用，以及這可能如何導(dǎo)致問題。

電流在您認(rèn)為會(huì)或應(yīng)該流過的地方以外的地方流動(dòng)，從嚴(yán)格意義上講，這實(shí)際上不是噪音，但顯然是麻煩。

現(xiàn)在我認(rèn)為我們已經(jīng)掌握了正確考慮進(jìn)入 ADC 的噪聲通道所需的所有信息。

審核編輯：劉清