如何提高ADC性能 ― 全方位學(xué)習(xí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

ADC性能提高的建議

雖然ADC看起來(lái)非常簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)鐘抖動(dòng)和混疊。以下一些指南有助于工程師在設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮ADC的全部性能。

模擬輸入

要認(rèn)真對(duì)待ADC的模擬輸入信號(hào)，盡量使它保持干凈，“無(wú)用輸入”通常會(huì)導(dǎo)致“數(shù)字化的無(wú)用輸出”。模擬信號(hào)路徑應(yīng)遠(yuǎn)離任何快速開(kāi)關(guān)的數(shù)字信號(hào)線，以防止噪聲從這些數(shù)字信號(hào)線耦合進(jìn)模擬路徑。

雖然簡(jiǎn)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(dòng)ADC可以提供更強(qiáng)的共模噪聲抑制性能，由于有更小的片上信號(hào)擺幅，因此一般也能獲得更好的交流性能。差分驅(qū)動(dòng)一般使用差分放大器或變壓器實(shí)現(xiàn)。變壓器可以提供比放大器更好的性能，因?yàn)橛性捶糯笃鲿?huì)帶來(lái)影響總體性能的額外噪聲源。但是，如果需要處理的信號(hào)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(jì)預(yù)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須考慮驅(qū)動(dòng)放大器的噪聲和線性性能。需要注意的是，因?yàn)楦咝阅蹵DC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。

參考輸入

參考輸入應(yīng)看作是另一個(gè)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(hào)上的噪聲是沒(méi)有區(qū)別的。一般ADC的數(shù)據(jù)手冊(cè)上會(huì)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(jì)師有時(shí)會(huì)將去耦電容放在PCB的背面，這種情況應(yīng)盡可能避免，因?yàn)檫^(guò)孔的電感會(huì)降低高頻時(shí)電容的去耦性能。VREF通常用來(lái)設(shè)置ADC的滿刻度范圍，因此減小VREF電壓值會(huì)減小ADC的LSB值，使得ADC對(duì)系統(tǒng)噪聲更加敏感(1V滿刻度10位ADC的LSB值等于1V/210=1mV)。

圖1：典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器功能框圖

時(shí)鐘輸入

根據(jù)具體的應(yīng)用，數(shù)字時(shí)鐘輸入可能與模擬輸入具有同等的重要性。ADC中有兩大噪聲源：一個(gè)是由輸入信號(hào)的量化引起的(正比于ADC中的位數(shù))，另一個(gè)是由時(shí)鐘抖動(dòng)引起的(在錯(cuò)誤時(shí)間點(diǎn)采樣輸入信號(hào))。根據(jù)以下公式，在非過(guò)采樣ADC應(yīng)用中量化噪聲將限制最大可能的信噪比(SNR)值。

其中，N為ADC的位數(shù)、SNR為信噪比。

從直觀感覺(jué)這是有意義的：每增加一位，ADC編碼的總數(shù)量就會(huì)增加一倍，量化不確定性可降低一半(6dB)。因此理論上一個(gè)10位ADC可以提供61.96dB的SNR。根據(jù)以下等式，采樣時(shí)鐘上的任何抖動(dòng)都會(huì)進(jìn)一步降低SNR：

其中，SNRj是受抖動(dòng)限制的SNR，fa是模擬輸入頻率，tj是時(shí)鐘抖動(dòng)的均方根(rms)值。

用抖動(dòng)等于8ps的采樣時(shí)鐘數(shù)字化70MHz的模擬信號(hào)，可以得到接近49dB SNR的有限抖動(dòng)，相當(dāng)于將10位ADC的性能降低到了約8位。時(shí)鐘抖動(dòng)必須小于2ps才能取得等效于10位ADC的SNR。還有許多影響SNR的二階因素，但上述等式是非常好的一階接近函數(shù)。差分時(shí)鐘常用來(lái)減小抖動(dòng)。

電源輸入

大多數(shù)ADC有分離的電源輸入，一個(gè)用于模擬電路，一個(gè)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(guò)孔數(shù)量，并減小從ADC電源引腳到去耦電容的走線長(zhǎng)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(jì)師為了節(jié)省電路板面積有時(shí)會(huì)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(cè)一般會(huì)提供推薦的去耦方案。為了達(dá)到特定的性能，電源和地經(jīng)常會(huì)采用專門的PCB層實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字輸出

ADC開(kāi)關(guān)數(shù)字信號(hào)輸出會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)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(zhǎng)度以減小ADC驅(qū)動(dòng)的電容負(fù)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(cè)通常對(duì)此也有一些設(shè)計(jì)建議。

以上我們介紹了什么是ADC,ADC的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)及誤區(qū)，并為大家詳述了如何提高ADC性能的一些建議。下面我們將繼續(xù)介紹ADC的一些具體設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，ADC輸入噪聲利弊分析、ADC輸入轉(zhuǎn)換器電路分析、ADC輸入阻抗信號(hào)鏈設(shè)計(jì)等知識(shí)。詳述了ADC的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，如何從高性能轉(zhuǎn)向低功耗，也對(duì)ADC的不同類型數(shù)字輸出進(jìn)行了深解。

ADC輸入噪聲利弊分析

多數(shù)情況下，輸入噪聲越低越好，但在某些情況下，輸入噪聲實(shí)際上有助于實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。這似乎毫無(wú)道理，不過(guò)繼續(xù)閱讀本指南，就會(huì)明白為什么有些噪聲是好的噪聲。

折合到輸入端噪聲(代碼躍遷噪聲)

實(shí)際的ADC在許多方面與理想的ADC有偏差。折合到輸入端的噪聲肯定不是理想情況下會(huì)出現(xiàn)的，它對(duì)ADC整體傳遞函數(shù)的影響如圖1所示。隨著模擬輸入電壓提高，理想ADC(如圖1A所示)保持恒定的輸出代碼，直至達(dá)到躍遷區(qū)，此時(shí)輸出代碼即刻跳變?yōu)橄乱粋€(gè)值，并且保持該值，直至達(dá)到下一個(gè)躍遷區(qū)。理論上，理想ADC的代碼躍遷噪聲為0,躍遷區(qū)寬度也等于0.實(shí)際的ADC具有一定量的代碼躍遷噪聲，因此躍遷區(qū)寬度取決于折合到輸入端噪聲的量(如圖1B所示)。圖1B顯示的情況是代碼躍遷噪聲的寬度約為1個(gè)LSB(最低有效位)峰峰值。

圖1:代碼躍遷噪聲(折合到輸入端噪聲)及其對(duì)ADC傳遞函數(shù)的影響

由于電阻噪聲和kT/C噪聲，所有ADC內(nèi)部電路都會(huì)產(chǎn)生一定量的均方根(RMS)噪聲。即使是直流輸入信號(hào)，此噪聲也存在，它是代碼躍遷噪聲存在的原因。如今通常把代碼躍遷噪聲稱為折合到輸入端噪聲,而不是直接使用代碼躍遷噪聲這一說(shuō)法。折合到輸入端噪聲通常用ADC輸入為直流值時(shí)的若干輸出樣本的直方圖來(lái)表征。大多數(shù)高速或高分辨率ADC的輸出為一系列以直流輸入標(biāo)稱值為中心的代碼(見(jiàn)圖2)。為了測(cè)量其值，ADC的輸入端接地或連接到一個(gè)深度去耦的電壓源，然后采集大量輸出樣本并將其表示為直方圖(有時(shí)也稱為接地輸入直方圖)。由于噪聲大致呈高斯分布，因此可以計(jì)算直方圖的標(biāo)準(zhǔn)差σ,它對(duì)應(yīng)于有效輸入均方根噪聲。參考文獻(xiàn)1詳細(xì)說(shuō)明了如何根據(jù)直方圖數(shù)據(jù)計(jì)算σ值。該均方根噪聲雖然可以表示為以ADC滿量程輸入范圍為基準(zhǔn)的均方根電壓，但慣例是用LSB rms來(lái)表示。

圖2:折合到輸入端噪聲對(duì)ADC接地輸入端直方圖的影響(ADC具有少量DNL)

雖然ADC固有的微分非線性(DNL)可能會(huì)導(dǎo)致其噪聲分布與理想的高斯分布有細(xì)微的偏差(圖2示例中顯示了部分DNL)，但它至少大致呈高斯分布。如果DNL比較大，則應(yīng)計(jì)算多個(gè)不同直流輸入電壓的值，然后求平均值。例如，如果代碼分布具有較大且獨(dú)特的峰值和谷值，則表明ADC設(shè)計(jì)不佳，或者更有可能的是PCB布局布線錯(cuò)誤、接地不良、電源去耦不當(dāng)(見(jiàn)圖3)。當(dāng)直流輸入掃過(guò)ADC輸入電壓范圍時(shí)，如果分布寬度急劇變化，這也表明存在問(wèn)題。