ADC噪聲測量方法和相關參數

ADC 噪聲測量方法和參數

在解釋如何測量 ADC 噪聲之前，重要的是要了解，當您查看 ADC 數據表規格時，相關指標參數表征對象是 ADC，而不是設計的電子系統。因此，ADC 制造商測試 ADC 噪聲的方式和測試系統本身應該展示 ADC 的能力，而不是測試系統的限制。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報告的不同。

ADC 制造商使用兩種方法來測量 ADC 噪聲。第一種方法將 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的正弦波（例如 1 kHz 時的 1 VPP）并報告 ADC 如何量化正弦波。下圖展示了這些類型的噪聲測量。

image-20220725105630935

通常，ADC 制造商會根據其目標應用選擇單個 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。高速數據采集系統中使用的 Delta-sigma ADC 通常依賴正弦波輸入方法，其中交流性能至關重要。對于許多 ADC，數據表指定了這兩種測量類型。因此，TI 不僅將 ADC 的性能與多種采樣率的一系列 AC 輸入信號，以及使用 input-short 測試的 ADS127L01 的 DC 性能。

ADC 數據表中的噪聲規格

如果您查看 ADS127L01 的數據表（或幾乎所有 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。下圖顯示了 ADS127L01 噪聲性能的快速傅立葉變換 (FFT)，使用幅度為 –0.5 dbFS 和 4 kHz 頻率的輸入正弦波。該圖可以計算和報告重要的交流參數，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) ?）。

image-20220725112025536

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。該圖可以計算和報告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。?（許多工程師將術語“ENOB”和“有效分辨率”同義地使用來描述 ADC 的直流性能。但是，ENOB 純粹是源自 SINAD 的動態性能規范，并不意味著傳達直流性能。

下圖顯示了 ADS127L01 的噪聲直方圖。

image-20220725112229274

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

image-20220725112402905

在下圖中，藍綠色陰影區域描繪了 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。如果輸入信號也落在此范圍內，則它可能會被本底噪聲遮擋，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，但代價是更長的采樣時間。

還可以在大多數 ADC 數據表的電氣特性部分以數字形式找到上述 AC 和 DC 規格。此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參數，例如輸入參考噪聲（RMS 或峰峰值）、有效分辨率、無噪聲分辨率、ENOB 和 SNR。

image-20220725112715881

交流和直流噪聲參數定義、測試以及相關公式

下表總結了交流和直流噪聲參數、它們的定義、適用的噪聲測試和公式。

Noise parameter	Definition	Noise test	Equation (units)
Input-referred noise	ADC 的分辨率或內部噪聲（加上集成器件的可編程增益放大器 [PGA] 噪聲）指定為應用于 ADC 輸入引腳的噪聲電壓源（增益之前）。	NA	實測 (VRMS,VPP)
SNR	輸出信號幅度與輸出噪聲電平的比值，不包括諧波或直流。	輸入正弦波 (AC)
THD	根據對信號諧波含量的影響，指示電路的線性度，以總諧波與 RMS 信號幅度之比給出。	輸入正弦波 (AC)
SINAD	輸出信號的 RMS 值與所有其他頻譜分量（不包括 DC）的 RMS 值之比。	輸入正弦波 (AC)
有效分辨率	動態范圍品質因數使用滿量程 (FSR) 與 RMS 噪聲電壓之比來定義 ADC 的噪聲性能。	直流輸入 (DC)
Noise-free resolution 無噪音分辨率	動態范圍品質因數使用 FSR 與峰峰值噪聲電壓的比率來定義不受峰峰值噪聲影響的最大位數。	直流輸入 (DC)
Noise-free counts 無噪音計數	表示您可以通過噪聲實現的無噪聲代碼（或計數）數量的品質因數。	直流輸入 (DC)
ENOB	品質因數將 SINAD 性能與具有一定位數（由 ENOB 給出）的理想 ADC 分辨率相關聯。	輸入正弦波 (AC)

絕對與相對噪聲參數

上表中所有方程的一個重要特征是它們涉及一些值的比率。這些是“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度量，通常是輸入信號（相對于載波的分貝 [dBc]）或 FSR（相對于滿量程的分貝 [dBFS]）。

下圖顯示了使用 –0.5 dBFS 輸入信號的 ADS127L01 的輸出頻譜，其中滿量程為 2.5 V。

image-20220725113820946

如果選擇的系統輸入信號沒有參考相同的滿量程電壓，或者如果輸入信號幅度與數據表中定義的值不同，則您不一定期望達到數據表的性能，即使其他輸入條件相同。

同樣，對于直流噪聲參數，可以從表中看到，有效分辨率與給定工作條件下 ADC 的輸入參考噪聲性能以及 ADC 的 FSR 相關。由于 FSR 取決于 ADC 的參考電壓，因此使用數據表中未列出的參考電壓會影響 ADC 的性能指標。

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獨立于參考電壓。

對于噪聲主要由 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。

下表總結了這些影響。

因此，為了表征 ADC 的最大動態范圍，大多數 ADC 制造商指定有效分辨率和無噪聲分辨率，并假設 FSR 最大化?；蛘?，換句話說，如果系統不使用最大 FSR（或制造商用于表征 ADC 的任何 FSR），則不應期望達到數據表中指定的有效或無噪聲分辨率值。

通過 ADC 使用 1V 參考電壓來說明這一點，ADC 的數據表噪聲以 2.5V 參考電壓為特征。繼續以 ADS127L01 為例，下表顯示使用 2.5V 參考電壓和 極低功耗模式下的 2kSPS 數據速率可產生 1.34 μVRMS 的輸入參考噪聲和 21.83 位的有效分辨率。

image-20220725114833136

但是，使用 1V 參考電壓會將 FSR 降低到 2V?？梢允褂眠@個 2V 值來計算新的預期有效分辨率（動態范圍），如公式所示：

更改參考電壓會降低 ADC 的 FSR，進而將其有效分辨率（動態范圍）與數據表中的值相比降低 1.3 位以上。等式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，但雖然 FSR 正在降低，但輸入參考噪聲卻沒有。

因此，建議使用絕對噪聲參數或直接測量的參數執行 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。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，建議使用輸入參考噪聲。 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感擔憂。畢竟，如果需要使用 24 位 ADC 來實現 16 位有效分辨率，就好像在為 ADC 實際無法提供的性能付出代價。

但是，16 位的有效分辨率并不一定能告訴使用了多少 FSR?？赡苤恍枰?16 位的有效分辨率，但如果最小輸入信號為 50 nV，將永遠無法使用 16 位 ADC 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。這并不意味著有效的分辨率不重要，只是它不是參數化系統的最佳方法。

最終，如果 ADC 不能同時解析最小和最大輸入信號，那么最大化 SNR 或有效分辨率就無關緊要了。與有效分辨率不同的是，您通?？梢詮南到y規范中直接輕松地推導出 ADC 所需的輸入參考噪聲。這一特性使輸入參考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。

小結

不同的測量可以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。

噪聲通過所有信號鏈組件引入，通常，假設輸入信號等于 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——直接測量。

輸入參考噪聲是 ADC 分辨率（最小可測量信號）的絕對測量值，無噪聲位和有效分辨率是描述 ADC 動態范圍的相對參數。