今天我們將通過介紹如何測量 ADC 噪聲、ADC 數據手冊中的噪聲規格以及絕對與相對噪聲參數來繼續基本的 ADC 噪聲討論。

本系列的第 1 部分討論了電氣系統中的噪聲、典型信號鏈中的噪聲原因、固有的模數轉換器 (ADC) 噪聲以及高分辨率和低分辨率 ADC 中噪聲之間的差異，可在此處找到.

測量 ADC 噪聲

在我解釋德州儀器如何測量 ADC 噪聲之前，重要的是要了解，當您查看 ADC 數據表規格時，目標是表征 ADC，而不是系統。因此，TI 測試 ADC 噪聲的方式和測試系統本身應該展示 ADC 的能力，而不是測試系統的局限性。因此，在不同系統或不同條件下使用 ADC 可能會導致噪聲性能與數據表中報告的不同。

我們有兩種方法可以測量 ADC 噪聲。在第一種方法中，我們將 ADC 的輸入短接在一起，以測量由于熱噪聲導致的輸出代碼的輕微變化。第二種方法涉及輸入具有特定幅度和頻率（例如 1kHz 時的 1VPP）的正弦波，并報告 ADC 如何量化正弦波。圖 1 展示了這些類型的噪聲測量。

圖 1. 輸入短路測試設置 (a)；正弦波輸入測試裝置 (b)

通常，我們會根據其目標最終應用選擇單個 ADC 的噪聲測量方法。例如，測量溫度或重量等緩慢移動信號的 delta-sigma ADC 使用輸入短路測試，該測試可精確測量直流性能。用于高速數據采集系統的 Delta-Sigma ADC 通常依賴于正弦波輸入方法，其中交流性能至關重要。對于許多 ADC，數據表指定了兩種類型的測量。

例如，TI的 24 位ADS127L01具有512kSPS的高最大采樣率和低通帶紋波寬帶濾波器，可為測試和測量設備實現高分辨率 AC 信號采樣。然而，這些應用通常也需要精確測量信號的直流分量。因此，我們不僅用多種采樣率下的一系列交流輸入信號來表征 ADC 的性能，而且使用輸入短路測試來表征 ADS127L01 的直流性能。

ADC 數據表中的噪聲規范

如果您查看 ADS127L01 的數據表（或任何 ADC 數據表，就此而言），您會看到以兩種形式報告的噪聲性能：圖形和數字。圖 2 顯示了使用幅度為 -0.5dbFS 和頻率為 4kHz 的輸入正弦波對 ADS127L01 噪聲性能的快速傅立葉變換 (FFT)。從該圖中，我們計算并報告了重要的 AC 參數，例如信噪比 (SNR)、總諧波失真 (THD)、信噪比和失真 (SINAD) 以及有效位數 (ENOB) .

圖 2. 具有 4kHz、-0.5dBFS 輸入信號的 ADS127L01 FFT 示例

對于 DC 性能，噪聲直方圖顯示特定增益設置、濾波器類型和采樣率的輸出代碼分布。從該圖中，我們計算并報告了重要的直流噪聲性能參數，例如輸入參考噪聲、有效分辨率和無噪聲分辨率。（注意：許多工程師將術語“ENOB”和“有效分辨率”同義地用于描述 ADC 的 DC 性能。然而，ENOB 純粹是源自 SINAD 的動態性能規范，并不意味著傳達 DC 性能。在本文的其余部分文章系列，我將相應地使用這些術語。更全面的參數定義和方程，請參見表 1。）

圖 3 顯示了 ADS127L01 的噪聲直方圖。

圖 3. ADS127L01 噪聲直方圖示例

與 FFT 圖一樣，噪聲直方圖提供有關直流噪聲性能的重要圖形信息。由于噪聲直方圖具有高斯分布，因此平均（均方根 [RMS]）噪聲性能的定義通常是一個標準偏差——圖 4a 中的紅色陰影區域。

在圖 4b 中，藍色陰影區域描述了 ADC 的峰峰值 (VN,PP) 噪聲性能。由于高斯噪聲的波峰因數，即峰值與平均值的比值，峰峰值噪聲以 6 或 6.6 個標準偏差給出。峰峰值噪聲定義了測量噪聲在此范圍內的統計概率。如果您的輸入信號也落在此范圍內，則它可能會被本底噪聲遮蔽，從而導致代碼閃爍。額外的過采樣將有助于降低峰峰值噪聲，但代價是采樣時間更長。

圖 4. ADS127L01 RMS 噪聲 (a)；峰峰值噪聲 (b)

您還可以在任何 ADC 數據表的電氣特性部分中以數字形式找到上述交流和直流規范。該規則的一個例外涉及帶有集成放大器的 ADC，其中噪聲性能隨增益和數據速率而變化。在這種情況下，通常有一個單獨的噪聲表，用于輸入參考噪聲（RMS 或峰峰值）、有效分辨率、無噪聲分辨率、ENOB 和 SNR 等參數。

表 1 總結了交流和直流噪聲參數、它們的定義和方程。

表 1：典型 ADC 噪聲參數及其定義和方程式

絕對與相對噪聲參數

表 1 中所有方程的一個重要特征是它們涉及一些值的比率。我們將這些定義為“相對參數”。顧名思義，這些參數提供了相對于某個絕對值的噪聲性能指標，通常是輸入信號（相對于載波的分貝 [dBc]）或滿量程范圍（相對于滿量程的分貝 [dBFS]）。

圖 5 顯示了使用 -0.5dBFS 輸入信號的 ADS127L01 的輸出頻譜，其中滿量程為 2.5V。如果您選擇的系統輸入信號不是以相同的滿量程電壓為參考，或者如果輸入信號幅度與數據表中定義的值不同，您不一定期望達到數據表的性能，即使所有您的其他輸入條件是相同的。

圖 5. ADS127L01 FFT，輸入電壓 (V IN ) 以滿量程為參考

同樣，對于 DC 噪聲參數，您可以從表 1 中看出，有效分辨率與給定工作條件下以及 ADC 的 FSR 下 ADC 的輸入參考噪聲性能有關。由于 FSR 取決于 ADC 的參考電壓，因此使用數據表中使用的參考電壓以外的參考電壓會對 ADC 的性能指標產生影響。

對于高分辨率 ADC，增加參考電壓會增加最大輸入動態范圍，而輸入參考噪聲保持不變。這是因為高分辨率 ADC 噪聲性能在很大程度上與參考電壓無關。對于噪聲由最低有效位 (LSB) 大小決定的低分辨率 ADC，增加參考電壓實際上會增加輸入參考噪聲，而最大輸入動態范圍保持大致相同。表 2 總結了這些影響。

表 2：改變參考電壓對 ADC 噪聲參數的影響

因此，為了表征 ADC 的最大動態范圍，大多數 ADC 制造商使用 FSR 最大化的假設來指定有效分辨率和無噪聲分辨率。或者，換句話說，如果您的系統不使用最大 FSR（或制造商用來表征 ADC 的任何 FSR），您不應期望達到數據表中指定的有效或無噪聲分辨率值。

讓我們通過使用 1V 參考電壓和 ADC 來說明這一點，該 ADC 的數據表噪聲以 2.5V 的參考電壓為特征。繼續以 ADS127L01 為例，圖 6 顯示在極低功耗 (VLP) 模式下使用 2.5V 參考電壓和 2kSPS 數據速率會產生 1.34μVRMS 的輸入參考噪聲和 21.83 位的有效分辨率。

圖 6. ADS127L01 噪聲性能：低延遲濾波器，AVDD = 3V，DVDD = 1.8V 和 VREF = 2.5V

但是，使用 1V 參考電壓會將 FSR 降低到 2V。您可以使用該值來計算新的預期有效分辨率（動態范圍），由公式 1 給出：

改變參考電壓會降低 ADC 的 FSR，與數據表值相比，這反過來又將其有效分辨率（動態范圍）降低了 1.3 位以上。等式 2 概括了這種分辨率損失：

其中 % 利用率只是實際 FSR 與表征 ADC 噪聲的 FSR 之比。

雖然這種明顯的分辨率損失似乎是使用高分辨率 delta-sigma ADC 的一個缺點，但請記住，雖然 FSR 正在降低，但輸入參考噪聲卻沒有。因此，我建議使用絕對噪聲參數或直接測量的參數來執行 ADC 噪聲分析。使用絕對噪聲參數消除了相對噪聲參數對輸入信號和參考電壓特性的依賴性。此外，絕對參數簡化了 ADC 噪聲和系統噪聲之間的關系。

對于 ADC 噪聲分析，我建議使用輸入參考噪聲。我將這句話加粗是因為使用輸入參考噪聲來定義 ADC 性能并不常見。事實上，大多數工程師只談論有效和無噪聲分辨率等相關參數，并且在無法最大化這些值時深表擔憂。畢竟，如果您需要使用 24 位 ADC 來實現 16 位有效分辨率，那感覺就像您為 ADC 實際無法提供的性能付出了代價。

但是，16 位的有效分辨率并不一定會告訴您有關使用了多少 FSR 的任何信息。您可能只需要 16 位有效分辨率，但如果最小輸入信號為 50nV，您將永遠無法使用 16 位 ADC 來解決該問題。因此，高分辨率 delta-sigma ADC 的真正優勢在于它提供的低輸入參考噪聲水平。這并不意味著有效分辨率不重要——只是它不是參數化系統的最佳方式。

最終，如果 ADC 不能同時解析最小和最大輸入信號，則最大化 SNR 或有效分辨率是無關緊要的。與有效分辨率不同，您通常可以直接、輕松地從系統規格中推導出 ADC 所需的輸入參考噪聲。這一特性使輸入相關噪聲分析對系統變化更加靈活。此外，它還可以輕松比較不同的 ADC，以便為任何應用選擇特定的 ADC。

在本系列文章的第三部分中，我將詳細研究一個電阻橋設計示例，使用相對和絕對噪聲參數來定義系統分辨率，以證明每個參數的有效性。我還將展示每種參數類型如何影響 ADC 比較和選擇。

總結要點

以下是有助于更好地理解 delta-sigma ADC 中噪聲的要點摘要：

• 不同的測量量化不同類型的噪聲：
  • 要測量交流噪聲性能，請使用交流信號應用測試。
  • 要測量直流噪聲性能，請使用輸入短路測試。
  • ADC 終端應用通常決定噪聲測量類型。
• 有效/無噪聲分辨率指標？通常，假設輸入信號 = FSR。
• 有兩種類型的噪聲參數：
  • 相對 – 使用測量值的比率計算。
  • 絕對值——直接測量。
• 輸入相關噪聲是 ADC 分辨率（最小可測量信號）的絕對量度。無噪聲位和有效分辨率是描述 ADC 動態范圍的相關參數。