降低ADC信噪比損失的設(shè)計(jì)技巧

1、在使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，人們很容易錯(cuò)誤地認(rèn)為，縮小輸入信號(hào)以 滿足 ADC 的滿量程范圍，會(huì)造成 信噪比 （SNR ）的明顯降低。需要處理寬電壓擺 幅的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)此更是尤為關(guān)注。此外，與較高電壓供電的 ADC 相比，低 壓供電（5V 或更低）的ADC 更是種類繁多。 較高電壓供電通常會(huì)導(dǎo)致更大的功耗 和更復(fù)雜的電路板布局 （例如，需要更多的去耦電容 ）。本文將討論影響 SNR 損 失 （由信號(hào)縮放引入 ）的主要因素，如何對(duì)其進(jìn)行定量分析，以及更重要的是：如 何把這種影響降至最低。傳感器或系統(tǒng)產(chǎn)生的許多信號(hào)都是雙極性高壓信號(hào) （如廣泛使用的 ±10V 信號(hào) ）。 不

2、過(guò)，有很多簡(jiǎn)單的方法可以使這種信號(hào)通過(guò) ADC ；也可以采用各種集成高壓 ADC 解決方案：可處理這種滿量程的大輸入信號(hào)，而又不犧牲SNR。這些解決方案需要極高的供電電壓來(lái)滿足輸入范圍的要求，并且其功耗也相當(dāng)大（圖1）。這些高壓 ADC 還縮小了信號(hào)調(diào)理 （運(yùn)放 ）解決方案的選擇范圍。如果信號(hào)需要與 高壓和低壓輸入組合 多路復(fù)用 ，系統(tǒng)成本會(huì)大幅提升 （圖2）。圖 1：高壓 ADC 可適應(yīng)大輸入信號(hào)， 但卻以較大功耗為代價(jià)。 為了實(shí)現(xiàn)這種方案，通常需要 ±15V 和+5V 電源。圖2：多路復(fù)用雙極性高壓 ADC 系統(tǒng)。還可以使用輸入 放大器 對(duì)信號(hào)進(jìn)行縮放，使其與 低壓 ADC 的滿

3、量程輸入范圍相 符合。這種信號(hào)調(diào)理電路可以連接到一個(gè)多路復(fù)用輸入， 從而使所有的信號(hào)都能 與 ADC 的范圍相符合 （圖 3）。圖 3：使用單個(gè)低壓 ADC 的高壓多路復(fù)用系統(tǒng)當(dāng)使用放大器進(jìn)行信號(hào)電壓縮放時(shí)， 噪聲以放大器輸入為參考。 此時(shí)，有兩個(gè)主 要的噪聲源：放大器本身的輸入?yún)⒖荚肼?，以?ADC 的縮小輸入?yún)⒖荚肼暋＿@ 兩個(gè)噪聲源按照二次項(xiàng)的方式組合。此外，放大器的噪聲還會(huì)通過(guò) ADC 的輸入 帶寬以及放大器與 ADC 輸入之間的抗混疊 濾波器 進(jìn)行濾波，參見(jiàn)圖 4。系統(tǒng) SNR（放大器輸入端 ）的計(jì)算公式為：式中： VnADC 為 ADC 的輸入 RMS 噪聲； VnOPA為放大器的輸

4、入?yún)⒖荚肼?（輸入 參考的 X 倍）=單極點(diǎn)-3dB 頻率。給定 ADC 的滿量程范圍、 ADC 的輸入?yún)⒖荚肼暫头糯笃鞯谋壤蜃雍螅?有兩個(gè) 變量會(huì)影響到 SNR 損失降低的目標(biāo)：濾波器的截止頻率和放大器的輸入?yún)⒖荚?如果信號(hào)源具有低頻分量， 可以設(shè)計(jì)濾波器， 使放大器能夠容許較大的輸入噪聲 (較高的輸入噪聲通常與較低的功耗和成本有關(guān) )。如果 ADC 限制了系統(tǒng)的帶寬， 放大器需要具有足夠低的輸入?yún)⒖荚肼?，以便?SNR 損失控制在可接受的范圍 內(nèi)。舉例來(lái)說(shuō)，給定一個(gè) ±10V 輸入信號(hào)和一個(gè) SNR 為92dB 的5VP-P 滿量程范圍 AD C，則比例因子 (輸入與滿量程范圍

5、之比 )為4。數(shù)據(jù)表中的 ADC 輸入?yún)⒖荚肼暈?4 4.4nV RMS。假設(shè)濾波器的截止頻率為 10kHz，放大器的輸入?yún)⒖荚肼暈?10nV/ (H z) 1/2，則 SNR的損失為： SNR(loss)=0.035dB。如果沒(méi)有濾波器，并假定 ADC 帶寬為 10MHz，為了達(dá)到相同的 SNR 損失，所 需的輸入?yún)⒖荚肼晞t變?yōu)?0.3nV/(Hz) 1/2，這一要求非常嚴(yán)格。對(duì)于10MHz 相同帶寬的 ADC ，如果允許 SNR(loss)=0.5dB，則對(duì)放大器的噪聲要 求為 4nV/(Hz) 1/2，相對(duì)來(lái)說(shuō)較容易實(shí)現(xiàn)。因此，如果給定了系統(tǒng)帶寬和可容許的 SNR 損失，增加比例放大器以使高壓信 號(hào)轉(zhuǎn)換到滿量程范圍的低壓 ADC ，將是完全可行的解決方案。當(dāng)把多路不同擺 幅的信號(hào)饋送到一個(gè)