高精度ADC到底是什么？ADC输入噪声有什么利弊

ADC是数模转换器的简称，诸多厂家都在积极制造更高性能的ADC。在前文中，小编对如何提高ADC性能给出了部分建议。为增进大家对ADC的认识，本文将从两方面介绍ADC：1.ADC输入噪声有何利弊？2.什么是高精度ADC。如果你对ADC或者本文内容具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。

一、ADC输入噪声利弊分析

多数情况下，输入噪声越低越好，但在某些情况下，输入噪声实际上有助于实现更高的分辨率。这似乎毫无道理，不过继续阅读本指南，就会明白为什么有些噪声是好的噪声。

折合到输入端噪声（代码跃迁噪声）

实际的ADC在许多方面与理想的ADC有偏差。折合到输入端的噪声肯定不是理想情况下会出现的，它对ADC整体传递函数的影响如图1所示。随着模拟输入电压提高，“理想”ADC（如图1A所示）保持恒定的输出代码，直至达到跃迁区，此时输出代码即刻跳变为下一个值，并且保持该值，直至达到下一个跃迁区。理论上，理想ADC的“代码跃迁”噪声为0，跃迁区宽度也等于0.实际的ADC具有一定量的代码跃迁噪声，因此跃迁区宽度取决于折合到输入端噪声的量（如图1B所示）。图1B显示的情况是代码跃迁噪声的宽度约为1个LSB（最低有效位）峰峰值。

图1：代码跃迁噪声（折合到输入端噪声）及其对ADC传递函数的影响

由于电阻噪声和“kT/C”噪声，所有ADC内部电路都会产生一定量的均方根（RMS）噪声。即使是直流输入信号，此噪声也存在，它是代码跃迁噪声存在的原因。如今通常把代码跃迁噪声称为“折合到输入端噪声”，而不是直接使用“代码跃迁噪声”这一说法。折合到输入端噪声通常用ADC输入为直流值时的若干输出样本的直方图来表征。大多数高速或高分辨率ADC的输出为一系列以直流输入标称值为中心的代码（见图2）。为了测量其值，ADC的输入端接地或连接到一个深度去耦的电压源，然后采集大量输出样本并将其表示为直方图（有时也称为“接地输入”直方图）。由于噪声大致呈高斯分布，因此可以计算直方图的标准差σ­，它对应于有效输入均方根噪声。参考文献1详细说明了如何根据直方图数据计算σ值。该均方根噪声虽然可以表示为以ADC满量程输入范围为基准的均方根电压，但惯例是用LSB rms来表示。

图2：折合到输入端噪声对ADC“接地输入端”直方图的影响（ADC具有少量DNL）

虽然ADC固有的微分非线性（DNL）可能会导致其噪声分布与理想的高斯分布有细微的偏差（图2示例中显示了部分DNL），但它至少大致呈高斯分布。如果DNL比较大，则应计算多个不同直流输入电压的­值，然后求平均值。例如，如果代码分布具有较大且独特的峰值和谷值，则表明ADC设计不佳，或者更有可能的是PCB布局布线错误、接地不良、电源去耦不当（见图3）。当直流输入扫过ADC输入电压范围时，如果分布宽度急剧变化，这也表明存在问题。

图3：设计不佳的ADC和/或布局布线、接地、去耦不当的接地输入端直方图

二、高精度ADC

目前，世界上有多种类型的ADC，有传统的并行、逐次通近型、积分型、压频变换型等，也有近年来新发展起来的∑-△型和流水线型ADC，多种类型的ADC各有其优缺点并能满足不同的具体应用要求。精度的要求是ADC的一项重要指标。

基本原理：

A/D转换器作为联系模拟领域到数字领域的纽带是十分重要的器件，己发展成多种系列，每一种均有其适用范围。总之A/D转换器是用途很广，发展十分迅速的器件，它在工业、国防、通讯、高科技等领域起着重要的作用。传统方式的ADC，例如逐次通近型、积分型、压频变换型等，主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。在全并行基础上发展起来的分级型和流水线型人D（主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域。此外，采用脉动型和折叠型等结构的高速ADC，可应用于广播卫星中的基带解调等方面。这些高速ADC 今后的发展方向是在现有高速基础上尽可能提高其分辨率，以满足兼顾高速、高精度的发展方向。20世纪90年代以来获得很大发展的∑-△型ADC利用高抽样率和数字信号处理技术，将抽样，量化、数字信号处理融为了一体，从而获得了高精度的ADC，目前可达24位，主要应用于高精度数据采集特别是数字音响系统、多媒体、地簇勘探仪器、声纳等电子测量领域。

下表是对现有的几种主要ADC类型作一简要总结。无论采用何种电路结构，若要提高转换速度。就要以较低的分辨宰和较大的功耗来作为代价：而要获得较高的分辨率，则要牺牲转换速度和功耗;为了降低功耗，却又得不到较高的速度和分辨率。因此在系统应用中，必须根据实际需要来选择适当电路结构和技术指标的ADC。