ADC噪聲的類型和特性

前言

本文主要對ADC的噪聲進行分析分類，并分析了高低分辨率的ADC特性差異，以便于利用ADC特性進行更好的系統(tǒng)設(shè)計。

ADC 噪聲的類型

噪聲是添加到所需信號上的任何不需要的信號(通常是隨機的)，導(dǎo)致它偏離其原始值。所有電氣系統(tǒng)都固有噪聲，因此不存在“無噪聲”電路。

在電子電路中，噪聲有多種形式，包括：

寬帶(thermal ，Johnson)噪聲，它是由電導(dǎo)體內(nèi)的電荷物理運動引起的與溫度相關(guān)的噪聲。

1/f(pink，flicker)噪聲，它是一種低頻噪聲，其功率密度與頻率成反比。

爆米花(burst)噪聲，本質(zhì)上是低頻且由設(shè)備缺陷引起，使其隨機且在數(shù)學(xué)上不可預(yù)測。

這些形式的噪聲可能通過多種來源進入信號鏈，包括：

ADC，它產(chǎn)生熱噪聲和量化噪聲的組合。

內(nèi)部或外部放大器，可以添加寬帶和 1/f 噪聲，然后 ADC 對其進行采樣，從而影響輸出代碼結(jié)果。

內(nèi)部或外部參考電壓，也會產(chǎn)生出現(xiàn)在 ADC 輸出代碼中的寬帶和 1/f 噪聲。

非理想電源，可能會通過多種耦合方式將噪聲添加到您嘗試測量的信號中。

內(nèi)部或外部時鐘，它們產(chǎn)生的抖動會轉(zhuǎn)化為非均勻采樣。這似乎是正弦輸入信號的額外噪聲源，通常對高速 ADC 更為關(guān)鍵。

印刷電路板 (PCB) 布局不佳，可能會將來自系統(tǒng)其他部分或環(huán)境的噪聲耦合到敏感的模擬電路中。

傳感器，它可能是高分辨率系統(tǒng)中噪音最大的組件之一。

下圖描繪了典型信號鏈中的這些噪聲源。

ADC 中的固有噪聲

可以將總 ADC 噪聲分為兩個主要來源：量化噪聲和熱噪聲。這兩個噪聲源不相關(guān)，因此可以使用和方根法來確定總 ADC 噪聲 NADC,Total，如公式 1 所示：

image-20220725095232401?

每個 ADC 噪聲源都具有特定的屬性，這些屬性在了解如何減輕固有 ADC 噪聲時非常重要。

下圖描繪了 ADC 的理想傳遞函數(shù)圖(不受失調(diào)或增益誤差的影響)。傳遞函數(shù)從最小輸入電壓水平延伸到最大輸入電壓，并根據(jù)沿垂直軸的 ADC 代碼總數(shù)分為多個步驟。這個特定的圖有 16 個編碼(或步驟)，代表一個 4 位 ADC。 (注意：使用直接二進制代碼的 ADC 將具有僅包括第一象限的傳遞函數(shù)。)

量化噪聲來自將無限數(shù)量的模擬電壓映射到有限數(shù)量的數(shù)字代碼的過程。因此，任何單個數(shù)字輸出都可以對應(yīng)多個模擬輸入電壓，這些電壓可能相差 ? 最低有效位 (LSB)，如公式中所定義：

其中 FSR 表示以伏特為單位的滿量程 (FSR) 值，N 是 ADC 的分辨率。

如果將此 LSB 誤差映射到一個量化的 AC 信號，將得到如下圖所示的圖。請注意量化的階梯形數(shù)字輸出與平滑的正弦模擬輸入之間的差異。取這兩個波形之間的差異并繪制結(jié)果會產(chǎn)生如圖底部所示的鋸齒形誤差。該誤差在 ±? LSB 之間變化，并在結(jié)果中顯示為噪聲。

類似地，對于 DC 信號，與量化相關(guān)的誤差在輸入信號的 ±? LSB 之間變化。然而，由于直流信號沒有頻率分量，量化“噪聲”實際上表現(xiàn)為 ADC 輸出中的偏移誤差。最后，量化噪聲的一個明顯但重要的結(jié)果是 ADC 無法測量超出其分辨率，因為它無法區(qū)分輸入中的子 LSB 變化。

與量化噪聲不同，量化噪聲是模數(shù)(或數(shù)模)轉(zhuǎn)換過程的副產(chǎn)品，熱噪聲是所有電氣元件中固有的一種現(xiàn)象，是電導(dǎo)體內(nèi)電荷物理運動的結(jié)果。因此，即使不應(yīng)用輸入信號，也可以測量熱噪聲。

不幸的是，不能影響 ADC 的熱噪聲，因為它是設(shè)備設(shè)計的函數(shù)。在其余部分，將把量化噪聲以外的所有 ADC 噪聲源稱為 ADC 的熱噪聲。

下圖描繪了時域中的熱噪聲，它通常具有高斯分布。

雖然無法影響 ADC 的固有熱噪聲，但可能會改變 ADC 的量化噪聲水平，因為它取決于 LSB 大小。然而，量化這種變化的重要性取決于您使用的是“低分辨率”還是“高分辨率”ADC。

低分辨率 ADC 與高分辨率 ADC差異

低分辨率 ADC 是指總噪聲更依賴于量化噪聲的任何器件，例如，

相反，高分辨率 ADC 是其總噪聲更依賴于熱噪聲的任何器件，例如，

低分辨率和高分辨率之間的轉(zhuǎn)換通常發(fā)生在 16 位級別，小于 16 位的任何器件都被視為低分辨率，而大于 16 位的任何器件都被視為高分辨率。

為什么要在 16 位級別進行區(qū)分?

下表中a 顯示了ADS114S08(一種 16 位 delta-sigma ADC)的實際噪聲表，而表b 顯示了其 24 位對應(yīng)物 ADS124S08 的噪聲表。除了分辨率之外，這些 ADC 是相同的。

在 16 位 ADS114S08 的噪聲表中，無論數(shù)據(jù)速率如何，所有輸入?yún)⒖荚肼曤妷憾枷嗤?。將其與 24 位 ADS124S08 的輸入?yún)⒖荚肼曋颠M行比較，這些值都是不同的，并且會隨著數(shù)據(jù)速率的降低而降低/提高。

雖然這本身并不能得出任何明確的結(jié)論，但使用公式來計算每個 ADC 的 LSB 大小，假設(shè)參考電壓為 2.5V：

結(jié)合這些觀察結(jié)果，可以看到其數(shù)據(jù)表中報告的低分辨率(16 位)ADC 的噪聲性能與其 LSB 大小(最大量化噪聲)相當(dāng)。另一方面，高分辨率(24 位)ADC 數(shù)據(jù)表中報告的噪聲明顯遠(yuǎn)大于其 LSB 大小(量化噪聲)。在這種情況下，高分辨率 ADC 的量化噪聲非常低，以至于它被熱噪聲有效地隱藏了。

下圖定性地表示了這種比較：