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九项常被忽略的ADC技术指标

本文摘要:模数转换器(ADC)有很多种,所以我们总是很难找到哪种ADC最适合应用。数据手册通常不会让问题看起来更简单,许多技术指标会以不可预测的方式影响性能。工程师在自由选择转换器时,一般只关注分辨率、信噪比(SNR)或谐波。 虽然这些是最重要的指标,但其他技术指标也在一定程度上发挥了重要作用。分辨率可能是最容易被误解的技术指标,它响应输入位数,但不获取性能数据。一些数据手册中未列出ENOB,它用于实际信噪比测量,以计算转换器的有效性。

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模数转换器(ADC)有很多种,所以我们总是很难找到哪种ADC最适合应用。数据手册通常不会让问题看起来更简单,许多技术指标会以不可预测的方式影响性能。工程师在自由选择转换器时,一般只关注分辨率、信噪比(SNR)或谐波。

虽然这些是最重要的指标,但其他技术指标也在一定程度上发挥了重要作用。分辨率可能是最容易被误解的技术指标,它响应输入位数,但不获取性能数据。一些数据手册中未列出ENOB,它用于实际信噪比测量,以计算转换器的有效性。

更简单的转换器性能指标是噪声频谱密度(NSD),单位为dBm/Hz或。NSD可以通过未知的采样率、输出范围、信噪比和输入阻抗(分贝/赫兹)来计算。在这些参数未知的情况下,可以选择一个转换器来给出前端电路的仿真性能。

这种自由选择ADC的方法比列出的分辨率更有效。很多用户并不考虑杂散人体和自然波的性能,这与分辨率有关,但转换器设计人员通常要调整设计,使谐波与分辨率相匹配。电源感应(PSR),测量电源纹波如何与模数转换器输出耦合并出现在其数字输入端。如果PSR有限,电源线上的噪声相对于输出电平不会感应出30至50dB。

一般来说,电源上的冗余信号与转换器的输出范围有关。例如,如果电源上的噪声为20mVrms,转换器输出范围为0.7Vrms,则输出上的噪声为-31dBFS。如果转换器的PSR为30dB,相干噪声不会在输入中显示为-61dB的谱线。在确定电源需要进行多少滤波和去耦时,PSR在医疗应用或工业应用等简单、低噪声环境中尤为重要。

图1: PSRR)与频率的关系。共模感应(CMR),测量共模信号缺失引起的差模信号。

许多ADC使用差分输出来建立对共模信号的高抗扰度,因为差分输出结构本身会产生偶数阶噪声。像PSR一样,电源纹波、接地产生的高功率信号、混频器和射频滤波器的射频泄漏以及要求低电场和磁场的应用不会引入共模信号。虽然很多转换器没有规定CMR,但一般都有50到80dB的CMR。

时钟涉及到技术指标,虽然是最重要的,但并不总是指定的,可能很难确定。图2:输出时钟和采样噪声之间的关系。

时钟力取决于亲和力,亲和力大于建立额定性能所需的力。大多数转换器在时钟缓冲器中有足够的增益,以确保采样时间得到具体定义,但如果亲和力太低,采样时间不确定,会产生过大的噪声。

如果调节力大于输出力,用户不应遵守抑制,以确保额定噪声性能。孔径晃动,ADC内部时钟不确定。

ADC的噪声性能不受内部和外部时钟抖动的影响。在典型的数据手册中,孔径晃动仅限于转换器。外部孔径晃动以平方根方式乘以内部孔径晃动。

对于低频应用,晃动可能不是最重要的,但随着模拟频率的降低,晃动引起的噪声问题变得更加明显。如果不用于丰钟,性能会比预期差。除了由于时钟晃动而降低的噪声外,时钟信号中与时钟没有谐波关系的谱线也会作为数字输入的噪声出现。因此,时钟信号不应具有尽可能低的频谱纯度。

孔径延迟后,施加采样信号和输出信号样本实际扩展之间的时间延迟。一般来说,这个时间是纳秒或更少,可能是负的,甚至是零。除非最重要的是说出确切的采样时间,否则孔径延迟不是最重要的。

切换时间和切换延迟是两个密切相关的技术指标。切换时间通常限于大幅度迫近转换器(SAR),用于以低时钟速率处理输出信号。输出信号在输入端出现的时间通常明显晚于切换命令,但早于下一个切换命令。

切换命令和切换完成之间的时间称为切换时间。开关延迟通常仅限于流水线转换器。作为测量用于产生数字输入的流水线(内部数字级)数量的技术指标,切换延迟通常由流水线延迟指定。实际切换时间可以通过将该数字除以中使用的采样周期来计算。

苏醒时间,为了降低脆弱应用的功耗,该装置通常在相对不必要的时段由变频器驱动,这显然可以节省大量功耗。但器件重启时,内部基准电压源需要一定时间才能稳定,内部时钟功能才能完全恢复,此时切换的数据将不符合技术规范。

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输入阻抗和所有数字输入设备一样,ADC(尤其是CMOS输入设备)规定了输入驱动能力。出于可靠性原因,最重要的是告知输入的驾驶能力,但最好的表现通常是在不超过驾驶能力的情况下。

在高性能应用中,最重要的是将输入阻抗降至以下,并获得必要的去耦和布局优化,以最大限度地降低电源压降。为了防止这种问题再次发生,许多转换器都有LVDS输入。LVDS是对称的,所以它可以减少开关电流,提高整体性能。如果可能,它应该用于LVDS输入,以确保最佳性能。

没有规定标准,最重要的未规定项目之一是PCB布局。虽然可以指定的不多,但不会显著影响转换器的性能。

例如,如果应用未能使用足够的去耦电容,则不会产生过大的电源噪声。由于PSR有限,电源上的噪声不会耦合到模拟输出中并破坏数字输入频谱,如图4右图所示。

图4a。电容和性能图4b。


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