理解模数转换器的噪声、ENOB和有效分辨率

　　ADC的主要趋势之一是分辨率越来越高。这一趋势影响各种应用，包括工厂自动化、温度检测和数据采集。对更高分辨率的需求正促使设计者从传统的12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC转至分辨率高达24位的Δ-ΣADC。

　　所有的ADC都会具有一定的噪声，这包括输入参考噪声（ADC固有噪声）和量化噪声（ADC转换时产生的噪声）。诸如噪声、ENOB（有效位数）、有效分辨率和无噪声分辨率等指标在很大程度上定义了ADC的实际精度。所以，理解与噪声相关的性能指标是从SAR过渡至Δ-ΣADC最困难的方面之一。由于当前对更高分辨率的迫切需求，设计者必须更好地理解ADC噪声、ENOB、有效分辨率，以及信噪比（SNR）。本文的目的正基于此。

　　Δ-ΣADC的更高分辨率和价值

　　在过去，12位SAR ADC通常足以满足各种信号和电压输入的测量。如果应用中需要更为精细的测量，可在ADC之前增加增益级或可编程增益放大器（PGA）。

　　分辨率为16位时，设计者的选择仍然主要是SAR ADC，但也包括部分Δ-ΣADC。然而，对于需要16位以上分辨率的设计，Δ-ΣADC则更为普遍。SAR ADC目前受限于18位，而Δ-ΣADC则延伸至18、20和24位。Δ-ΣADC还有其它优势。其价格在过去10年中已大幅下降，使用越来越简单，已被广泛接受。

　　有效分辨率

　　有效分辨率由下式定义（以位为单位）：

　　有效分辨率= log2 ［满幅输入电压范围/ADC RMS噪声］

　　或更为简单：

　　有效分辨率= log2 ［VIN/VRMS NOISE］

　　切勿将有效分辨率与ENOB相混淆，尽管两者听起来非常类似。测量ENOB的最常见方法是对ADC的正弦波输入进行FFT分析。IEEE（r）标准1057将ENOB定义为：

　　ENOB = log2 ［满幅输入电压范围/（ADC RMS噪声× √12）］

　　SINAD定义为信噪比加失真比。SINAD和ENOB用于衡量ADC的动态性能。

　　所以：

　　SINAD = ［RMS输入电压/RMS噪声电压］

　　式中，RMS噪声= 1/M［eq1。

　　

　　式中，EAVM =剩余XAVM，XAVM（FM）为DFT之后规定离散频率下的平均幅度谱分量。

　　有效分辨率和无噪声分辨率本质上衡量ADC在直流下的噪声性能，此时频谱失真（THD、SFDR）无关紧要。

　　知道ADC的噪声和输入范围后，计算有效分辨率和无噪声分辨率就很简单。

　　ADC的输入电压范围基于参考电压。如果ADC集成PGA，也会影响电压范围。有些Δ-ΣADC包括PGA，以放大小信号。最新带PGA的ADC往往规定噪声小于100nVRMS。尽管这些噪声系数与旧式ADC相比看起来很吸引人，但往往基于非常小的输入范围。这是因为小的输入范围最终会放大至适合更宽、基于参考电压的ADC有效范围。所以，尽管这些带PGA的ADC的噪声看起来很小，但有效分辨率和无噪声分辨率可能并不像无PGA的ADC那么好。

　　简单举例说明。PGA设置为128的24位ADC，参考电压为2.5V，输入范围为（VREF/PGA （（2.5V/128 = 39.1mV）时，噪声为70nVRMS。因此，有效分辨率为：

　　log2 ［VIN/VRMS NOISE］ = log2 ［39.1mV/70nV］ = 19.1位

　　使用相同的ADC，PGA设置为1时，噪声上升至1.53（VRMS。输入范围为5V （（2.5V/1）时，有效分辨率变为21.6位。

　　最佳方法是参阅ADC的数据资料，检查您所需的输入范围。