ADC基礎(chǔ)學(xué)習(xí)：學(xué)習(xí)A/D的幾個(gè)重要指標(biāo)

最近開(kāi)始學(xué)習(xí)SAR ADC，之前接觸比較少，所以學(xué)起來(lái)也是頭大，不過(guò)萬(wàn)事開(kāi)頭難，就一點(diǎn)點(diǎn)的學(xué)吧。

集成電路發(fā)展到今天，得益于摩爾定理下數(shù)字電路不斷的shrink，速度不斷提高，功耗不斷下降，面積也在不斷減小。而現(xiàn)實(shí)世界是連續(xù)的，或者混沌的。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（A/D和D/A）作為連接現(xiàn)實(shí)世界和二進(jìn)制世界的橋梁。

圖1

首先，還是學(xué)習(xí)A/D的幾個(gè)重要指標(biāo)。衡量A/D轉(zhuǎn)換器的性能參數(shù)比較多，圖1回顧一下主要的指標(biāo)。

分辨率（Resolution），ADC能夠?qū)?a href="http://www.wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬輸入表示的數(shù)字信號(hào)的位數(shù)。和參考電壓（Reference Volatage）共同決定了ADC能夠分辨的最小識(shí)別電壓。例如對(duì)于10bit的ADC，其數(shù)字輸出只有1024個(gè)，對(duì)應(yīng)十進(jìn)制的0~1023。其中最小位成為L(zhǎng)SB。

靜態(tài)指標(biāo)基本可以通過(guò)對(duì)比ADC理想和實(shí)際傳輸特性得到。圖2(a)給示意圖其傳輸特性為臺(tái)階型的非線性函數(shù)，其中參考電壓為0.8V。橫坐標(biāo)為模擬輸入電壓，輸出為數(shù)字碼輸出（離散的2^N個(gè)碼值）。黑色為無(wú)窮大分辨率的transfer characteristic。藍(lán)色為理想3bit的傳輸特性，紅色為一種實(shí)際3 bit的傳輸特性。

圖2

圖2(b)為量化誤差的示意圖，橫坐標(biāo)為模擬輸入，縱坐標(biāo)為誤差電壓。藍(lán)色為3bit理想的量化誤差，為±0.5LSB，（在接近滿量程輸入時(shí)，其量化誤差為+1LSB）。紅色為實(shí)例3bit的量化誤差。超過(guò)了±0.5LSB的范圍。

微分非線性（DNL），對(duì)于實(shí)際A/D的臺(tái)階型的傳輸特性，臺(tái)階高度相等，臺(tái)階深度往往和理想值Δ存在偏差。定義實(shí)際AD碼值從k-1到k轉(zhuǎn)化對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓為Vk，則如果（Vk-Vk-1）和Δ存在的差別就是微分非線性。一般用歸一化的LSB表示。微分非線性可以特指最大的DNL。

積分非線性（INL），實(shí)際傳輸特性曲線的轉(zhuǎn)折電壓和理想轉(zhuǎn)折電壓差值。以百分比或LSB形式表示。

圖3(a)為圖2中理想和實(shí)例的轉(zhuǎn)折電壓。圖3(b)為量化步長(zhǎng)及DNL和INL的計(jì)算結(jié)果。圖3(c)為實(shí)例3 bit ADC的DNL和INL的圖示。可以看到DNL為-0.5LSB，INL為+0.5LSB。

圖3

此外，還有表征傳輸特性的靜態(tài)指標(biāo)，增益誤差和失調(diào)。

ADC動(dòng)態(tài)指標(biāo)是描述A/D轉(zhuǎn)化過(guò)程中非理想因素對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響。衡量A/D Performance的重要依據(jù)，注意大部分的動(dòng)態(tài)指標(biāo)都和輸入信號(hào)的頻率、幅度及采樣頻率相關(guān)。使用時(shí)需要注明這些指標(biāo)值得條件。

信噪比（SNR），輸入信號(hào)的最大rms和噪聲r(shí)ms的比值。其中噪聲包含量化噪聲和電路本身的噪聲。對(duì)理想A/D，僅存在量化噪聲，其信噪比的定義和分辨率的關(guān)系如圖4所示。這也是理想N bit A/D所能達(dá)到的理想信噪比。實(shí)際上電路噪聲和信號(hào)處理過(guò)程中失真的存在都會(huì)導(dǎo)致信噪比下降。

圖4

信噪失真比（SNDR or SINAD），定義為信號(hào)rms和噪聲r(shí)ms+失真的比值。失真通常first nyquist zone內(nèi)不包含dc分量的前N次諧波分量之和。SINAD和輸入信號(hào)的頻率及幅度相關(guān)。

有效位數(shù)（ENOB），對(duì)實(shí)際的A/D，有效位數(shù)表征ADC等效的實(shí)際轉(zhuǎn)換精度。一般使用SINAD代替SNR，使用圖3中的關(guān)系ENOB=(SINAD-1.76)/6.02，得到等效的分辨率。

總諧波失真（THD）,定義為輸出信號(hào)FFT頻譜中所有諧波分量的和。如圖5所示，其定義是相對(duì)于1次諧波分量。對(duì)于周期信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中的非線性和誤差的引入，導(dǎo)致輸出包含了比較多的諧波分量，諧波分量的頻率和輸入信號(hào)及采樣頻率有關(guān)。

圖5

無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR），是指信號(hào)的均方根值與最差雜散信號(hào)的均方根值之比。在通信系統(tǒng)中SFDR是很重要的指標(biāo)?？梢韵鄬?duì)于滿量程（dBFS）或?qū)嶋H信號(hào)幅度（dBc）來(lái)規(guī)定，如圖6所示。

圖6