數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的噪聲量化噪聲方案

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器包含常見(jiàn)的半導(dǎo)體噪聲源，例如散粒、雪崩、閃爍和爆米花噪聲。此外，真實(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)具有誤差，包括量化、時(shí)鐘抖動(dòng)、通道線性度和帶寬。實(shí)際使用工業(yè)數(shù)據(jù)表來(lái)確定可以達(dá)到的系統(tǒng)規(guī)格。將介紹有助于分析這些參數(shù)的設(shè)計(jì)工具，以及控制和減少其他系統(tǒng)噪聲元素的建設(shè)性方法。

噪聲是系統(tǒng)中的一種干擾，它會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量，在模擬通信中更為突出。一個(gè)能夠在顯著水平上抵抗噪音的設(shè)備可以被認(rèn)為是一個(gè)好設(shè)備。為了設(shè)計(jì)一個(gè)盡可能避免這些失真的系統(tǒng)，首先確定可能的噪聲源是明智之舉。本教程是有關(guān)管理信號(hào)鏈中噪聲的系列討論的延續(xù)。在這一部分中，重點(diǎn)介紹了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中噪聲和失真的來(lái)源。

信號(hào)鏈中的噪聲 信號(hào)鏈中的噪聲源可以是內(nèi)部的，也可以是外部的。管理信號(hào)鏈中的噪聲需要仔細(xì)檢查鏈中的每個(gè)電路，以盡可能減少噪聲。這是我們討論的基本和關(guān)鍵，因?yàn)樵肼曇坏┣度胄盘?hào)中，就很難或不可能消除。

重要的是，我們首先簡(jiǎn)要回顧一下關(guān)于惱人的半導(dǎo)體噪聲的第 1 部分文章中的一些基本但至關(guān)重要的主題。了解電噪聲在今天比以往任何時(shí)候都更加重要。隨著 14 位和 16 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為主流，并且 18 位和 24 位轉(zhuǎn)換器越來(lái)越可用，噪聲通常是限制系統(tǒng)性能的單一因素。毫無(wú)疑問(wèn)，識(shí)別其起源和特征是實(shí)現(xiàn)信號(hào)鏈最大可能精度的關(guān)鍵。

一般來(lái)說(shuō)，噪聲是電氣系統(tǒng)中不受歡迎的任何電氣現(xiàn)象。根據(jù)其來(lái)源，噪聲可分為外部（干擾）或內(nèi)部（固有）。本文將重點(diǎn)介紹所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中固有的以及由采樣過(guò)程引起的噪聲。

在圖 1 中，所有外部噪聲源都被組合成術(shù)語(yǔ) Vext。所有內(nèi)部噪聲源都被組合成術(shù)語(yǔ) Vint。

現(xiàn)在我們將研究數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中四種常見(jiàn)的噪聲和失真類型：量化噪聲、采樣抖動(dòng)、諧波失真和模擬噪聲。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的噪聲量化噪聲

量化噪聲是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中最著名的噪聲源。它是由轉(zhuǎn)換器中使用的采樣和量化過(guò)程中固有的誤差引起的。這種噪聲的大小由三個(gè)因素決定：分辨率、微分非線性和帶寬。

分辨率

量化是將連續(xù)信號(hào)劃分為 2N 個(gè)離散電平而產(chǎn)生的不確定性，其中 N 是以比特為單位的分辨率。給定量子內(nèi)的所有模擬電壓都具有相同的代碼，這會(huì)導(dǎo)致量化不確定性。這種不確定性稱為“量化誤差”。量化誤差的均方根 (RMS) 值是量化噪聲。量化誤差與 2N 成反比。圖 2 顯示了理想 ADC 隨時(shí)間變化的量化誤差，該圖還顯示了量化誤差如何隨著分辨率的提高而降低。

分辨率為 N 的理想數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的 RMS 量化噪聲由下式給出：

微分非線性

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的微分非線性 (DNL) 是任何代碼寬度與理想 1 LSB 步長(zhǎng)的偏差。理想數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的 DNL 為 0，但當(dāng)今大多數(shù)精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的 DNL < 1。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的平均 DNL 增加了其平均量化誤差，因此增加了量化噪聲。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中通常不指定平均 DNL，但是，可以使用典型的 DNL 規(guī)范以合理的精度代替它。RMS 量化噪聲，包括分辨率 (N) 和 DNL 的影響，由下式給出：

帶寬

到目前為止描述的量化噪聲假設(shè)使用了完整的奈奎斯特帶寬。

如果采樣頻率 (Fs) 和輸入信號(hào)在諧波上不相關(guān)，則量化噪聲呈高斯分布，并在 DC 和奈奎斯特頻率 (Fn) 之間均勻分布。奈奎斯特頻率 (Fn) 始終是采樣頻率 (Fs) 的一半。該噪聲頻譜密度如圖 4 所示。

在圖 4 中，量化噪聲電壓是工作帶寬內(nèi)噪聲密度曲線下的噪聲。

RMS 量化噪聲，包括分辨率 (N)、DNL 和 BW 的影響，由下式給出：

其中 BW 定義為奈奎斯特頻率 (Fn) 的百分比。

模擬噪聲

模擬噪聲 (Vn) 是指 ADC 輸入或 DAC 輸出的有效噪聲。它是由本系列文章第 1 部分中討論的半導(dǎo)體噪聲源引起的。它可以指定為以 nV/√Hz 為單位的噪聲頻譜密度，以 RMS 或峰峰值為單位的電壓，或以 RMS 或峰峰值為單位的 LSB。Vn 可以來(lái)自內(nèi)部或外部來(lái)源，是隨機(jī)的，并假定為高斯分布。

Vn 通常以 LSBRMS 為單位給出。在 ADC 中，Vn 被稱為轉(zhuǎn)換噪聲，因?yàn)樗趶囊粋€(gè)輸出代碼轉(zhuǎn)換到下一個(gè)輸出代碼時(shí)表現(xiàn)為不確定性。當(dāng) Vn 以 LSBRMS 給出時(shí)，等效峰峰值噪聲可通過(guò)以下公式獲得：

半導(dǎo)體中有五種常見(jiàn)的基本噪聲源 (Vn)：熱噪聲、散粒噪聲、雪崩噪聲、閃爍噪聲和爆米花噪聲。本系列的第 1 部分詳細(xì)討論了這些噪聲源，但現(xiàn)在值得一提的是另一個(gè)噪聲源：kT/C 噪聲。

外部噪聲

我們已經(jīng)討論了內(nèi)部噪聲的來(lái)源，但外部噪聲的來(lái)源也很多。外部噪聲可能來(lái)自信號(hào)鏈本身以外的任何地方，例如來(lái)自電源、數(shù)字開關(guān)、射頻 (RFI) 和電磁干擾 (EMI)。這些外部源中的每一個(gè)都需要由適當(dāng)?shù)?PC 板 (PCB) 布局控制，包括接地和接地星點(diǎn)。電源去耦電容器、低通濾波器、RFI 和 EMI 屏蔽都需要對(duì)組件和系統(tǒng)有很好的了解。電容器及其自諧振、電感器、鐵氧體磁珠和電阻器等串聯(lián)元件都在最小化侵入噪聲方面發(fā)揮著重要作用。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲是如何規(guī)定

以下技術(shù)指標(biāo)摘自MAX1062 ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)。

該表顯示了典型數(shù)據(jù)表中可能出現(xiàn)的分辨率、DNL、孔徑抖動(dòng)、THD 和模擬噪聲。

結(jié)論

在本文中，我們了解了各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器參數(shù)如何影響信號(hào)鏈中的噪聲。這些包括分辨率、差分非線性、工作帶寬、時(shí)鐘抖動(dòng)、諧波失真以及輸入或輸出參考噪聲。

編輯：hfy