在選擇器件時，我們常常會對DATASHEET上的技術(shù)指標(biāo)有所取舍，畢竟不是每一項技術(shù)指標(biāo)都對自己想要實現(xiàn)的系統(tǒng)目標(biāo)造成影響，而對于ADC來說，信噪比(SNR)，毫無疑問是人們重點關(guān)注的對象。

模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)是一種將模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)數(shù)字信號的系統(tǒng)/設(shè)備，在人機(jī)交互領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。ADC可以提供隔離的測量，例如將輸入的模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換為與電壓或電流幅度成正比的數(shù)字。在實際應(yīng)用中，ADC的選型也是一個相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)。

那么除了信噪比之外，其他的技術(shù)指標(biāo)對于我們的系統(tǒng)來說又會產(chǎn)生哪些影響呢?

01

分辨率

分辨率，可能是最易被誤解的技術(shù)指標(biāo)，它表示輸出位數(shù)，但不提供性能數(shù)據(jù)。部分?jǐn)?shù)據(jù)手冊會列出有效位數(shù)(ENOB)，它使用實際SNR測量來計算轉(zhuǎn)換器的有效性。一種更加有用的轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)是噪聲頻譜密度(NSD)，單位為dBm/Hz或HznV。NSD可以通過已知的采樣速率、輸入范圍、SNR和輸入阻抗計算得出(dBm/Hz)。已知這些參數(shù)，便可選擇一款轉(zhuǎn)換器來匹配前端電路的模擬性能，這種選擇ADC的方法比僅僅列出分辨率更有效。

許多用戶還會考慮雜散和諧波性能，這些都與分辨率無關(guān)，但轉(zhuǎn)換器設(shè)計人員一般要調(diào)整他們的設(shè)計，使諧波與分辨率相一致。

02

電源抑制(PSR)

電源抑制(PSR)測量電源紋波如何與ADC輸入耦合，顯現(xiàn)在其數(shù)字輸出上。如果PSR有限，相對于輸入電平，電源線上的噪聲將僅會受到30至50 dB的抑制。

一般而言，電源上的無用信號與轉(zhuǎn)換器的輸入范圍相關(guān)。例如，如果電源上的噪聲是20 mV rms ，而轉(zhuǎn)換器輸入范圍是0.7 Vrms，，則輸入上的噪聲是–31 dBFS。如果轉(zhuǎn)換器的PSR為 30 dB，則相干噪聲會在輸出中顯現(xiàn)為一條–61 dBFS譜線。在確定電源將需要多少濾波和去耦時，PSR尤其有用，PSR在醫(yī)療應(yīng)用或工業(yè)應(yīng)用等高噪聲環(huán)境中非常重要。

圖1.電源紋波抑制比(PSRR)vs.頻率

03

共模抑制(CMR)

共模抑制(CMR)測量共模信號存在時所引起的差模信號。許多ADC采用差分輸入來實現(xiàn)對共模信號的高抗擾度，因為差分輸入結(jié)構(gòu)本身能抑制偶數(shù)階失真產(chǎn)物。

與PSR一樣，電源紋波、接地層上產(chǎn)生的高功率信號、混頻器和RF濾波器的RF泄漏以及能夠產(chǎn)生高電場和磁場的應(yīng)用會引入共模信號，雖然許多轉(zhuǎn)換器未規(guī)定CMR，但他們通常具有50至80 dB的CMR。

04

時鐘相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

時鐘相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，盡管比較重要，但并不總是作出規(guī)定，而且可能難以確定。

圖2. 輸入時鐘與采樣噪聲的關(guān)系

05

時鐘壓擺率

時鐘壓擺率是實現(xiàn)額定性能所需的最小壓擺率。多數(shù)轉(zhuǎn)換器在時鐘緩沖器上有足夠的增益，以確保采樣時刻界定明確，但如果壓擺率過低使得采樣時刻很不確定，將產(chǎn)生過量噪聲。如果規(guī)定最小輸入壓擺率，用戶應(yīng)滿足該要求，以確保額定噪聲性能。

06

孔徑抖動

孔徑抖動是ADC的內(nèi)部時鐘不確定性。ADC的噪聲性能受內(nèi)部和外部時鐘抖動限制。

在典型的數(shù)據(jù)手冊中，孔徑抖動僅限轉(zhuǎn)換器。外部孔徑抖動以均方根方式與內(nèi)部孔徑抖動相加。對于低頻應(yīng)用，抖動可能并不重要，但隨著模擬頻率的增加，由抖動引起的噪聲問題變得越來越明顯。如果不使用充足的時鐘，性能將比預(yù)期要差。

除由于時鐘抖動而增加的噪聲以外，時鐘信號中與時鐘不存在諧波關(guān)系的譜線也將顯現(xiàn)為數(shù)字化輸出的失真。因此，時鐘信號應(yīng)具有盡可能高的頻譜純度。

孔徑延遲是采樣信號的應(yīng)用與實際進(jìn)行輸入信號采樣的時刻之間的時間延遲。此時間通常為納秒或更小，可能為正、為負(fù)或甚至為零。除非知道精確的采樣時刻非常重要，否則孔徑延遲并不重要。

07

轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換延遲

轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換延遲是兩個密切相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)。轉(zhuǎn)換時間一般適用于逐次逼近型轉(zhuǎn)換器(SAR)，這類轉(zhuǎn)換器使用高時鐘速率處理輸入信號，輸入信號出現(xiàn)在輸出上的時間明顯晚于轉(zhuǎn)換命令，但早于下一個轉(zhuǎn)換命令。轉(zhuǎn)換命令與轉(zhuǎn)換完成之間的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。

轉(zhuǎn)換延遲通常適用于流水線式轉(zhuǎn)換器。作為測量用于產(chǎn)生數(shù)字輸出的流水線(內(nèi)部數(shù)字級)數(shù)目的技術(shù)指標(biāo)，轉(zhuǎn)換延遲通常用流水線延遲來規(guī)定。通過將此數(shù)目乘以應(yīng)用中使用的采樣周期，可計算實際轉(zhuǎn)換時間。

08

喚醒時間

喚醒時間，為了降低功耗敏感型應(yīng)用的功耗，器件通常在相對不用期間關(guān)斷，這樣做確實可以節(jié)省大量功耗，但器件重新啟動時，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定以及內(nèi)部時鐘的功能恢復(fù)都需要一定的時間，此時轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)將不滿足技術(shù)指標(biāo)。

09

輸出負(fù)載

輸出負(fù)載，同所有數(shù)字輸出器件一樣，ADC，尤其是CMOS輸出器件，規(guī)定輸出驅(qū)動能力。出于可靠性的原因，知道輸出驅(qū)動能力比較重要，但最佳性能一般是在未達(dá)到完全驅(qū)動能力時。

在高性能應(yīng)用中，重要的是，將輸出負(fù)載降至最低，并提供適當(dāng)?shù)娜ヱ詈蛢?yōu)化布局，以盡可能降低電源上的壓降。為了避免此類問題發(fā)生，許多轉(zhuǎn)換器都提供LVDS輸出。LVDS具有對稱性，因此可以降低開關(guān)電流并提高總體性能。如果可以，應(yīng)該使用LVDS輸出以確保最佳性能。

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未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)

未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，一個至關(guān)重要的未規(guī)定項目是PCB布局。雖然可規(guī)定內(nèi)容的不多，但它會顯著影響轉(zhuǎn)換器的性能。例如，如果應(yīng)用未能采用充足的去耦電容，就會存在過多的電源噪聲。由于PSR有限，電源上的噪聲會耦合到模擬輸入中，并破壞數(shù)字輸出頻譜，如圖3所示。

圖3a. 電容與性能

圖3b. 有限電容與性能

這些示例顯示了不同的場景和應(yīng)用需求如何影響ADC架構(gòu)的選擇。工程師可以通過了解不同ADC類型的性能特征和權(quán)衡，做出符合其各自應(yīng)用目標(biāo)和限制的明智選擇。可擴(kuò)展性和開發(fā)需求的可能性也是必不可少的考慮因素，尤其是在快速發(fā)展的行業(yè)中。