前言

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

ADC 噪聲的類(lèi)型

噪聲是添加到所需信號(hào)上的任何不需要的信號(hào)(通常是隨機(jī)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(wú)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(yùn)動(dòng)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(jī)且在數(shù)學(xué)上不可預(yù)測(cè)。

這些形式的噪聲可能通過(guò)多種來(lái)源進(jìn)入信號(hào)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(duì)其進(jìn)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(huì)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(huì)通過(guò)多種耦合方式將噪聲添加到您嘗試測(cè)量的信號(hào)中。

內(nèi)部或外部時(shí)鐘，它們產(chǎn)生的抖動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)化為非均勻采樣。這似乎是正弦輸入信號(hào)的額外噪聲源，通常對(duì)高速 ADC 更為關(guān)鍵。

印刷電路板 (PCB) 布局不佳，可能會(huì)將來(lái)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(hào)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(gè)主要來(lái)源：量化噪聲和熱噪聲。這兩個(gè)噪聲源不相關(guān)，因此可以使用和方根法來(lái)確定總 ADC 噪聲 NADC,Total，如公式 1 所示：

image-20220725095232401?

每個(gè) 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(shí)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(gè)步驟。這個(gè)特定的圖有 16 個(gè)編碼(或步驟)，代表一個(gè) 4 位 ADC。 (注意：使用直接二進(jìn)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(lái)自將無(wú)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(guò)程。 因此，任何單個(gè)數(shù)字輸出都可以對(duì)應(yīng)多個(gè)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(gè)量化的 AC 信號(hào)，將得到如下圖所示的圖。請(qǐng)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(gè)波形之間的差異并繪制結(jié)果會(huì)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(lèi)似地，對(duì)于 DC 信號(hào)，與量化相關(guān)的誤差在輸入信號(hào)的 ±? LSB 之間變化。然而，由于直流信號(hào)沒(méi)有頻率分量，量化“噪聲”實(shí)際上表現(xiàn)為 ADC 輸出中的偏移誤差。最后，量化噪聲的一個(gè)明顯但重要的結(jié)果是 ADC 無(wú)法測(cè)量超出其分辨率，因?yàn)樗鼰o(wú)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(guò)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(yùn)動(dòng)的結(jié)果。因此，即使不應(yīng)用輸入信號(hào)，也可以測(cè)量熱噪聲。

不幸的是，不能影響 ADC 的熱噪聲，因?yàn)樗窃O(shè)備設(shè)計(jì)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(shí)域中的熱噪聲，它通常具有高斯分布。

雖然無(wú)法影響 ADC 的固有熱噪聲，但可能會(huì)改變 ADC 的量化噪聲水平，因?yàn)樗Q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(jí)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(jí)別進(jìn)行區(qū)分?

下表中a 顯示了ADS114S08(一種 16 位 delta-sigma ADC)的實(shí)際噪聲表，而表b 顯示了其 24 位對(duì)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(wú)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(jìn)行比較，這些值都是不同的，并且會(huì)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(lái)計(jì)算每個(gè) 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(bào)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(bào)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：

如何利用這個(gè)結(jié)果來(lái)發(fā)揮ADC的優(yōu)勢(shì)?

對(duì)于量化噪聲占主導(dǎo)地位的低分辨率 ADC，可以使用較小的參考電壓來(lái)減小 LSB 大小，從而降低量化噪聲幅度。這具有降低 ADC 總噪聲的效果，如下圖所示。

對(duì)于熱噪聲占主導(dǎo)地位的高分辨率 ADC，使用更大的參考電壓來(lái)增加 ADC 的輸入范圍(動(dòng)態(tài)范圍)，同時(shí)確保量化噪聲水平保持在熱噪聲以下。假設(shè)沒(méi)有其他系統(tǒng)發(fā)生變化，這個(gè)增加的參考電壓可以實(shí)現(xiàn)更好的信噪比，如下圖所示。

小結(jié)

噪音是所有電子系統(tǒng)固有的，無(wú)法徹底去消除。

噪聲通過(guò)所有信號(hào)鏈組件引入。

有兩種主要類(lèi)型的 ADC 噪聲：

量化噪聲，它與參考電壓成比例。

熱噪聲，對(duì)于給定的ADC，它是一個(gè)固定值。

根據(jù) ADC 的分辨率，一種類(lèi)型的噪聲通常占主導(dǎo)地位：

以量化噪聲為主。

分辨率通常受 LSB 大小的限制。

降低參考電壓以降低量化噪聲并提高分辨率。

以熱噪聲為主

分辨率通常>1 LSB。

增加參考電壓以增加動(dòng)態(tài)范圍。

高分辨率 ADC 特性：

低分辨率ADC 特性：