如何提高ADC性能 — 全方位学习模数转换器(ADC)

ADC性能提高的建议

虽然ADC看起来非常简单，但它们必须正确使用才能获得最优的性能。ADC具有与简单模拟放大器相同的性能限制，比如有限增益、偏置电压、共模输入电压限制和谐波失真等。ADC的采样特性需要我们更多地考虑时钟抖动和混叠。以下一些指南有助于工程师在设计中充分发挥ADC的全部性能。

模拟输入

要认真对待ADC的模拟输入信号，尽量使它保持干净，“无用输入”通常会导致“数字化的无用输出”。模拟信号路径应远离任何快速开关的数字信号线，以防止噪声从这些数字信号线耦合进模拟路径。

虽然简化框图给出的是单端模拟输入，但在高性能ADC上经常使用差分模拟输入。差分驱动ADC可以提供更强的共模噪声抑制性能，由于有更小的片上信号摆幅，因此一般也能获得更好的交流性能。差分驱动一般使用差分放大器或变压器实现。变压器可以提供比放大器更好的性能，因为有源放大器会带来影响总体性能的额外噪声源。但是，如果需要处理的信号含有直流成份，具有隔直流特性的变压器就不能用。在设计预驱动电路时必须考虑驱动放大器的噪声和线性性能。需要注意的是，因为高性能ADC通常有非常高的输入带宽，因此在ADC输入引脚处直接滤波可以减少混入基带的宽带噪声数量。

参考输入

参考输入应看作是另一个模拟输入，必须尽可能保持干净。参考电压(VREF)上的任何噪声与模拟信号上的噪声是没有区别的。一般ADC的数据手册上会规定要求的去耦电容。这些电容应放置在离ADC最近的地方。为了节省电路板面积，PCB设计师有时会将去耦电容放在PCB的背面，这种情况应尽可能避免，因为过孔的电感会降低高频时电容的去耦性能。VREF通常用来设置ADC的满刻度范围，因此减小VREF电压值会减小ADC的LSB值，使得ADC对系统噪声更加敏感(1V满刻度10位ADC的LSB值等于1V/210=1mV)。

图1：典型的模数转换器功能框图

时钟输入

根据具体的应用，数字时钟输入可能与模拟输入具有同等的重要性。ADC中有两大噪声源：一个是由输入信号的量化引起的(正比于ADC中的位数)，另一个是由时钟抖动引起的(在错误时间点采样输入信号)。根据以下公式，在非过采样ADC应用中量化噪声将限制最大可能的信噪比(SNR)值。

其中，N为ADC的位数、SNR为信噪比。

从直观感觉这是有意义的：每增加一位，ADC编码的总数量就会增加一倍，量化不确定性可降低一半(6dB)。因此理论上一个10位ADC可以提供61.96dB的SNR。根据以下等式，采样时钟上的任何抖动都会进一步降低SNR：

其中，SNRj是受抖动限制的SNR，fa是模拟输入频率，tj是时钟抖动的均方根(rms)值。

用抖动等于8ps的采样时钟数字化70MHz的模拟信号，可以得到接近49dB SNR的有限抖动，相当于将10位ADC的性能降低到了约8位。时钟抖动必须小于2ps才能取得等效于10位ADC的SNR。还有许多影响SNR的二阶因素，但上述等式是非常好的一阶接近函数。差分时钟常用来减小抖动。

电源输入

大多数ADC有分离的电源输入，一个用于模拟电路，一个用于数字电路。推荐在尽量靠近ADC的位置使用足够多的去耦电容。尽量减少PCB的过孔数量，并减小从ADC电源引脚到去耦电容的走线长度，从而使ADC和电容之间的电感为最小。就像参考电压去耦一样，电路板设计师为了节省电路板面积有时会把去耦电容放在芯片下方PCB板的背面，基于同样的理由，这种情况也应避免。ADC数据手册一般会提供推荐的去耦方案。为了达到特定的性能，电源和地经常会采用专门的PCB层实现。

数字输出

ADC开关数字信号输出会产生瞬时噪声，并向后耦合到ADC中敏感的模拟电路部分，从而引发故障。缩短输出走线长度以减小ADC驱动的电容负载有助于减小这一影响，在ADC输出端放置串行电阻也可以降低输出电流尖峰。ADC数据手册通常对此也有一些设计建议。

以上我们介绍了什么是ADC,ADC的技术参数指标及误区，并为大家详述了如何提高ADC性能的一些建议。下面我们将继续介绍ADC的一些具体设计中的问题，ADC输入噪声利弊分析、ADC输入转换器电路分析、ADC输入阻抗信号链设计等知识。详述了ADC的设计挑战，如何从高性能转向低功耗，也对ADC的不同类型数字输出进行了深解。

ADC输入噪声利弊分析

多数情况下，输入噪声越低越好，但在某些情况下，输入噪声实际上有助于实现更高的分辨率。这似乎毫无道理，不过继续阅读本指南，就会明白为什么有些噪声是好的噪声。

折合到输入端噪声(代码跃迁噪声)

实际的ADC在许多方面与理想的ADC有偏差。折合到输入端的噪声肯定不是理想情况下会出现的，它对ADC整体传递函数的影响如图1所示。随着模拟输入电压提高，"理想"ADC(如图1A所示)保持恒定的输出代码，直至达到跃迁区，此时输出代码即刻跳变为下一个值，并且保持该值，直至达到下一个跃迁区。理论上，理想ADC的"代码跃迁"噪声为0,跃迁区宽度也等于0.实际的ADC具有一定量的代码跃迁噪声，因此跃迁区宽度取决于折合到输入端噪声的量(如图1B所示)。图1B显示的情况是代码跃迁噪声的宽度约为1个LSB(最低有效位)峰峰值。

图1:代码跃迁噪声(折合到输入端噪声)及其对ADC传递函数的影响

由于电阻噪声和"kT/C"噪声，所有ADC内部电路都会产生一定量的均方根(RMS)噪声。即使是直流输入信号，此噪声也存在，它是代码跃迁噪声存在的原因。如今通常把代码跃迁噪声称为"折合到输入端噪声",而不是直接使用"代码跃迁噪声"这一说法。折合到输入端噪声通常用ADC输入为直流值时的若干输出样本的直方图来表征。大多数高速或高分辨率ADC的输出为一系列以直流输入标称值为中心的代码(见图2)。为了测量其值，ADC的输入端接地或连接到一个深度去耦的电压源，然后采集大量输出样本并将其表示为直方图(有时也称为"接地输入"直方图)。由于噪声大致呈高斯分布，因此可以计算直方图的标准差σ,它对应于有效输入均方根噪声。参考文献1详细说明了如何根据直方图数据计算σ值。该均方根噪声虽然可以表示为以ADC满量程输入范围为基准的均方根电压，但惯例是用LSB rms来表示。

图2:折合到输入端噪声对ADC"接地输入端"直方图的影响(ADC具有少量DNL)

虽然ADC固有的微分非线性(DNL)可能会导致其噪声分布与理想的高斯分布有细微的偏差(图2示例中显示了部分DNL)，但它至少大致呈高斯分布。如果DNL比较大，则应计算多个不同直流输入电压的值，然后求平均值。例如，如果代码分布具有较大且独特的峰值和谷值，则表明ADC设计不佳，或者更有可能的是PCB布局布线错误、接地不良、电源去耦不当(见图3)。当直流输入扫过ADC输入电压范围时，如果分布宽度急剧变化，这也表明存在问题。