SAR ADC輸入類(lèi)型間的性能有哪些不一樣？

在我之前的SAR ADC輸入注意事項(xiàng)的那一篇博文中，我介紹了針對(duì)逐次逼近寄存器 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的不同數(shù)據(jù)類(lèi)型：?jiǎn)味?、偽差分和全差分輸入?/p>

在選擇一個(gè)SAR ADC時(shí)所考慮的某些關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格包括分辨率、通道數(shù)量、采樣率、電源范圍、功耗、數(shù)字接口和時(shí)鐘速度。但是諸如信噪比 (SNR) 和總諧波失真 (THD) 的噪聲和AC參數(shù)是怎樣的呢？這些參數(shù)會(huì)影響總體系統(tǒng)性能，并因此影響到SAR輸入類(lèi)型的選擇。

噪聲影響

單端輸入：這些SAR只需要一條導(dǎo)線/電纜和一個(gè)單輸入驅(qū)動(dòng)器，如果有的話，連接至電源。需要注意的是，這些ADC測(cè)量相對(duì)于SAR自身接地的輸入信號(hào)。雖然這是最簡(jiǎn)單的配置，信號(hào)接地和SAR接地之間的誤差將影響準(zhǔn)確度。此外，從電源和接地耦合到內(nèi)部采樣電容器的噪聲將影響轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度，這是因?yàn)楣材Ｒ种?(CMRR) 很糟糕，可以忽略不計(jì)。

差分輸入（偽差分和全差分）：雖然這種輸入需要一條額外的導(dǎo)線/電纜以及兩個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)器，但是包括以下優(yōu)點(diǎn)：

由于正確的布局布線技巧，兩個(gè)輸入上的電源噪聲耦合、接地彈跳和時(shí)鐘將相類(lèi)似。更好的CMRR大大減少了任何相關(guān)噪聲。

特別是對(duì)于偽差分輸入，負(fù)輸入可以感測(cè)到信號(hào)接地或偏移，從而消除信號(hào)接地和SAR接地之間的任何誤差。

示例：請(qǐng)參考針對(duì)ADS7042，ADS8860和ADS8319等器件的技術(shù)規(guī)格表中AINM的“工作輸入范圍”。

SNR影響

ADC的SNR將信號(hào)功率分量與采樣頻率一半以下的噪聲功率進(jìn)行比較，其中不包括諧波和DC。我使用以下等式來(lái)計(jì)算SNR影響：

ADC輸入上的總系統(tǒng)噪聲由兩個(gè)分量組成：耦合自信號(hào)源以及輸入驅(qū)動(dòng)器的外部噪聲和ADC輸入上的內(nèi)部噪聲。由于單端架構(gòu)（具有一個(gè)CDAC結(jié)構(gòu)）很少見(jiàn)，我將會(huì)比較偽差分（在每個(gè)輸入上使用一個(gè)CDAC結(jié)構(gòu)）與全差分輸入間的性能差異。

對(duì)于一個(gè)指定的架構(gòu)，全差分SAR上的輸入信號(hào)范圍（-REF至REF）是偽差分SAR范圍 (0-REF) 的兩倍。對(duì)于全差分輸入*，由于將信號(hào)舍入至最接近的編碼而引入到AC信號(hào)的量化噪聲也會(huì)加倍。
*(BSTJ 27:3. 1948年7月：量化信號(hào)的范圍。(Bennett, W. R.)（1948年7月）

內(nèi)部噪聲：為了分析ADC的SNR，我們首先假定一個(gè)噪聲可忽略不計(jì)的理想AC源和驅(qū)動(dòng)器?？墒褂脙蓚€(gè)對(duì)于ADC十分重要的量化噪聲 (NQUANT) 以及轉(zhuǎn)換噪聲 (NTRANS) 來(lái)分析內(nèi)部噪聲的影響。

對(duì)于一個(gè)只有量化誤差的理想ADC來(lái)說(shuō)（即NTRANS = 0），如表2中所示，SNRADC對(duì)于兩個(gè)輸入類(lèi)型是一樣的。計(jì)算方法為：

轉(zhuǎn)換噪聲由諸如比較器的有源電路和來(lái)自電阻器以及電容器的kT/C噪聲引入。由于NTRANS起到?jīng)Q定性作用，如表2中所示，可以看到全差分ADC的SNRADC提高了多達(dá)6dB。其原因是動(dòng)態(tài)范圍加倍，而NTRANS保持不變。

下方的圖1更好地解釋了這一情況，其中顯示了16位ADC的SNRADC。對(duì)于理想ADC來(lái)說(shuō)，兩個(gè)輸入類(lèi)型的SNRADC是一樣的。隨著NTRANS開(kāi)始縮放，兩個(gè)SNR間的差異變寬。在NTRANS >> NQUANT時(shí)，可以看到6dB的變化。實(shí)際上，這個(gè)SNRADC方面的差異可以是0dB至6dB之間的任何值，這取決于設(shè)計(jì)是如何優(yōu)化NTRANS與NQUANT間的比率的。

圖1：SNR與內(nèi)部噪聲的比較

示例：比較同一系列輸入器件（諸如 (ADS8861, ADS8860)，(ADS8354, ADS8353)，(ADS7254, ADS7253)）全差分和偽差分之間的SNR技術(shù)規(guī)格。

外部噪聲：在一個(gè)系統(tǒng)中，SAR也會(huì)看到由輸入源和驅(qū)動(dòng)器引入的噪聲。然后，SNR等式的分母將增加。如下所示，由于使用了兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，全差分輸入的總SNR進(jìn)一步降低。

我希望這篇博文能夠使你更好地了解影響SNR的不同噪聲源，以及他們是如何影響兩個(gè)輸入類(lèi)型的。THD會(huì)是怎樣的呢? 不同的輸入類(lèi)型間會(huì)不會(huì)有所差異呢？我將在近期給出答案！