通常很難找到與模擬輸入范圍一致，但又具有適當輸入數量、所需尺寸和正確采樣速度的模數轉換器（ADC）。特別是對于處理寬電壓擺幅的系統設計人員來說，人們擔心縮小輸入信號以驅動ADC的滿量程范圍會顯著降低信噪比（SNR）。本應用筆記討論了影響這種SNR損耗的因素，如何量化，更重要的是，如何將其最小化。

使用模數轉換器（ADC）進行設計時，一個典型的誤解是，縮小輸入信號以驅動ADC的滿量程范圍會顯著降低信噪比（SNR）。對于使用寬電壓擺幅的系統設計人員來說，這一點尤其值得關注。使問題更加復雜的是，與高壓電源相比，用于低壓電源（5V或更低）的ADC產品范圍也廣泛得多。更高的電源通常會導致更高的功耗和電路板復雜性，例如需要更多的去耦電容。本應用筆記討論了影響縮放引入的SNR損耗的因素，如何量化，更重要的是，如何將其最小化。

來自傳感器或系統的許多信號是高壓和雙極性的;例如±10V被廣泛使用。但是，有一些簡單的方法可以通過ADC驅動該信號，并且可以使用集成的高壓ADC解決方案來處理如此大的滿量程輸入而不會損失SNR。這些解決方案通常需要額外的高壓電源來適應輸入范圍并消耗相當大的功率（圖 1）。這些高壓ADC還縮小了可用信號調理（運放）解決方案的范圍。如果需要通過高壓和低壓輸入的組合對信號進行多路復用，則實施成本可能會變得相當昂貴（圖 2）。

圖1.MX574A 高壓 ADC 以更高的功耗為代價容納大輸入信號。為了實現這種解決方案，通常需要±15V和+5V電源。

圖2.多路復用雙極性高壓ADC系統。

您還可以使用輸入放大器執行信號縮放，以驅動低壓ADC的整個輸入范圍。該信號調理電路可以連接到單個多路復用輸入（見圖3），因此所有信號都覆蓋ADC的范圍。

圖3.高壓多路復用系統，采用單路MAX11100低壓ADC。

當放大器用于執行信號電壓調節時，噪聲被回饋到放大器的輸入端。目前有兩個主要噪聲源：放大器本身的輸入參考噪聲和ADC的按比例縮小的輸入參考噪聲。這兩個噪聲源以二次方式組合在一起。此外，放大器的噪聲由ADC的輸入帶寬以及放大器和ADC輸入之間的抗混疊濾波器濾除。參見圖 4。

圖4.縮放放大器引入噪聲，但噪聲由ADC的RC和輸入網絡濾波。

系統SNR（在放大器輸入端）的公式為：

其中：

nADC = ADC 的輸入有效值噪聲

nOPA = 放大器的輸入參考噪聲（輸入參考 X 比例因子）

f-3dB = 單極 -3dB 頻率

對于給定的ADC滿量程范圍、ADC的輸入參考噪聲和放大器的比例因子，有兩個變量會影響目標SNR損耗下降：濾波器截止頻率和放大器輸入參考噪聲。

如果信號源具有低頻成分，則可以設計濾波器，使放大器能夠承受更大的輸入噪聲（較高的輸入噪聲通常與較低的功耗和更低的成本相關）。如果ADC限制了系統的帶寬，則放大器需要具有足夠低的折合到輸入端的噪聲，以實現容許的SNR損耗下降。

例如，給定一個±10V輸入信號和一個5VP-P滿量程范圍ADC，SNR為92dB，比例因子（輸入到滿量程范圍）為4。數據手冊中ADC折合到輸入端的噪聲為44.4nV有效值。假設濾波器的截止頻率為10kHz，放大器的輸入參考噪聲為10nV/√Hz，則SNR損耗為：

信噪比（損耗）= 0.035dB

如果沒有濾波器，并且ADC帶寬（例如）為10MHz，則實現相同SNR損耗所需的新輸入參考噪聲變為0.3nV/√Hz，這是相當嚴格的。

對于ADC中相同的10MHz帶寬，如果我們允許SNR（損耗）= 0.5dB，則放大器的噪聲要求變為4nV/√Hz，這更容易實現。

存在集成度更高、高度靈活的解決方案，允許用戶在輸入多路復用器上輸入不同的信號范圍，對每個輸入的增益進行編程，同時進行掃描并優化SNR。例如，Maxim提供MAX1300系列16/14位ADC，提供多達8個輸入信號，如圖5所示。MAX1300采用12V單電源供電，可接受高達±5V的雙極性輸入信號，從而減少了外部元件、電源和電路板空間。

圖5.MAX1300 ADC具有可編程輸入范圍（包括單電源的雙極性）、每個采樣的可編程增益和內部基準。

另一個靈活的系統是MAX11131，這是一款12位、16通道、3Msps ADC。設備具有樣本集?技術，一種用戶可編程的模擬輸入通道序列器，允許多達 256 個任意編程掃描序列（圖 6）。SampleSet 技術還允許不對稱地斷開輸入帶寬，使系統能夠靈活地處理不同通道上的高頻和低頻內容信號。

圖6.MAX11131的功能框圖，MAX3是一款12Msps、16位、《》通道ADC，具有靈活的SampleSet多路復用時序。

總之，考慮到系統帶寬和可容忍的SNR損耗，增加一個縮放放大器將高壓信號轉換為全范圍低壓ADC是完全可以實現的。當多電平信號饋入多路復用低壓ADC時，該解決方案可以提供非常經濟高效的系統。Maxim提供廣泛的數據轉換器解決方案，具有領先的16位和24位性能，以及用于抗混疊的集成濾波器。

審核編輯：郭婷