PDF《MT-004 指南》

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 作者:Walt Kester ADC输入噪声面面观――噪声是利还是弊? 指南 MT-004 (A) IDEAL ADC (B) ACTUAL ADC ANALOG INPUT DIGITAL OUTPUT ANALOG INPUT DIGITAL OUTPUT Rev.

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12 简介 所有模数转换器(ADC)都有一定量的 折合到输入端噪声 ,可以将其模拟为与无噪声ADC 输入串联的噪声源.折合到输入端噪声与量化噪声不同,后者仅在ADC处理交流信号时出 现.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. MT-004 n n+1 n+2 n+3 n+4 nC1 nC2 nC3 nC4 NUMBER OF OCCURRENCES STANDARD DEVIATION = RMS NOISE (LSBs) P-P INPUT NOISE ≈ 6.6 * RMS NOISE OUTPUT CODE Page

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12 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. 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σ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) 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 MT-004 n n+1 n+2 n+3 n+4 nC1 nC2 nC3 nC4 NUMBER OF OCCURRENCES OUTPUT CODE n+5 nC5 k a e P - k a e P t u p n I e s i o N ) s B S L (

2 e s i o N - e e r F s t n u o C N = . 等式1 等式2 对无噪声采样数求以2为底的对数可以得到无噪声代码分辨率: Noise Free Code Resolution ) ( = k a e P - k a e P t u p n I e s i o N ) s B S L (