ADC基本參數(shù)有哪些?如何提高ADC的性能?
[關(guān)鍵字]:ADC 指數(shù) 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器
[導讀] 為增進大家對ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的認識,本文將對ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器基本參數(shù)以及提高ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器性能的建議予以介紹。
ADC在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時,一般要經(jīng)過采樣、量化和編碼這幾個步驟。為增進大家對ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的認識,本文將對ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器基本參數(shù)以及提高ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器性能的建議予以介紹。
一、ADC基本參數(shù)
1) 位寬
即前一節(jié)提到的量化位數(shù),常見的有8bit,10bit,12bit,16bit,24bit。比較少見的部分高速ADC有6bit~8bit。
2) 分辨率
ADC所能分辨的最小量化信號的能力,最小分辨能力Δ=輸入滿量程電壓/2^N。分辨率主要由ADC的位數(shù)(輸出數(shù)字量的位數(shù))決定,也與輸入滿量程有一定的關(guān)系。如一個輸出滿量程為0~5V的ADC、8位的ADC,其最小變化量為5V/2^8,約為19.5mV。若將ADC的位寬增加為10位,則ADC的最小變化量為5V/2^10,約為4.88mV。
3) 量化誤差Σ
在量化過程中由于所采樣的電壓不一定能被Δ(最小量化單位)整除,所以量化前后存在一定誤差,此誤差稱為量化誤差。量化誤差屬于原理誤差,無法消除,理論上轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高,各離散電平之間的差值越小,量化誤差就越小。
4) INL
INL (IntergerNonLinear, 積分非線性), 指ADC實際轉(zhuǎn)換曲線與理想曲線在縱軸方向的差值,單位LSB,用于表示實際轉(zhuǎn)換曲線與理想的偏差程度。
5) DNL
DNL (DifferentialNonLinear, 微分非線性), 指ADC的實際量化臺階與對應(yīng)于1LSB的理想值之間的差異。理想ADC偏差為0LSB。若DNL<1LSB,意味著傳輸函數(shù)具有單調(diào)性,沒有丟碼。
6) SNR
SNR (Signal NoiseRatio,信噪比), ADC輸出信號功耗和噪聲功耗的比值,用dB表示。SNR=10*log(P_signal/P_noise),其中信號頻譜圖中基波分量有效值,噪聲=總能量-信號能量和諧波能量。理想ADC的噪聲主要來自量化噪聲。
二、提高ADC性能的建議
雖然ADC看起來非常簡單,但它們必須正確使用才能獲得最優(yōu)的性能。ADC具有與簡單模擬放大器相同的性能限制,比如有限增益、偏置電壓、共模輸入電壓限制和諧波失真等。ADC的采樣特性需要我們更多地考慮時鐘抖動和混疊。以下一些指南有助于工程師在設(shè)計中充分發(fā)揮ADC的全部性能。
1、模擬輸入
要認真對待ADC的模擬輸入信號,盡量使它保持干凈,“無用輸入”通常會導致“數(shù)字化的無用輸出”。模擬信號路徑應(yīng)遠離任何快速開關(guān)的數(shù)字信號線,以防止噪聲從這些數(shù)字信號線耦合進模擬路徑。
雖然簡化框圖給出的是單端模擬輸入,但在高性能ADC上經(jīng)常使用差分模擬輸入。差分驅(qū)動ADC可以提供更強的共模噪聲抑制性能,由于有更小的片上信號擺幅,因此一般也能獲得更好的交流性能。差分驅(qū)動一般使用差分放大器或變壓器實現(xiàn)。變壓器可以提供比放大器更好的性能,因為有源放大器會帶來影響總體性能的額外噪聲源。但是,如果需要處理的信號含有直流成份,具有隔直流特性的變壓器就不能用。在設(shè)計預驅(qū)動電路時必須考慮驅(qū)動放大器的噪聲和線性性能。需要注意的是,因為高性能ADC通常有非常高的輸入帶寬,因此在ADC輸入引腳處直接濾波可以減少混入基帶的寬帶噪聲數(shù)量。
2、參考輸入
參考輸入應(yīng)看作是另一個模擬輸入,必須盡可能保持干凈。參考電壓(VREF)上的任何噪聲與模擬信號上的噪聲是沒有區(qū)別的。一般ADC的數(shù)據(jù)手冊上會規(guī)定要求的去耦電容。這些電容應(yīng)放置在離ADC最近的地方。為了節(jié)省電路板面積,PCB設(shè)計師有時會將去耦電容放在PCB的背面,這種情況應(yīng)盡可能避免,因為過孔的電感會降低高頻時電容的去耦性能。VREF通常用來設(shè)置ADC的滿刻度范圍,因此減小VREF電壓值會減小ADC的LSB值,使得ADC對系統(tǒng)噪聲更加敏感(1V滿刻度10位ADC的LSB值等于1V/210=1mV)。
3、電源輸入
大多數(shù)ADC有分離的電源輸入,一個用于模擬電路,一個用于數(shù)字電路。推薦在盡量靠近ADC的位置使用足夠多的去耦電容。盡量減少PCB的過孔數(shù)量,并減小從ADC電源引腳到去耦電容的走線長度,從而使ADC和電容之間的電感為最小。就像參考電壓去耦一樣,電路板設(shè)計師為了節(jié)省電路板面積有時會把去耦電容放在芯片下方PCB板的背面,基于同樣的理由,這種情況也應(yīng)避免。ADC數(shù)據(jù)手冊一般會提供推薦的去耦方案。為了達到特定的性能,電源和地經(jīng)常會采用專門的PCB層實現(xiàn)。
4、數(shù)字輸出
ADC開關(guān)數(shù)字信號輸出會產(chǎn)生瞬時噪聲,并向后耦合到ADC中敏感的模擬電路部分,從而引發(fā)故障??s短輸出走線長度以減小ADC驅(qū)動的電容負載有助于減小這一影響,在ADC輸出端放置串行電阻也可以降低輸出電流尖峰。ADC數(shù)據(jù)手冊通常對此也有一些設(shè)計建議。