不损失SNR前提下 高压信号转换成低压ADC输入

　　模/数转换器（ADC）电路设计中，特别是当系统设计人员需要处理各种摆幅的电压信号时，很容易产生的一个误区是缩小输入信号范围，以适应ADC的满量程范围，这将大大降低信噪比（SNR）。综合来看，相对于高压ADC，低压（5V或者更低）ADC的选择范围更宽。高电源电压通常会导致大的功耗，电路板设计也更加复杂，例如，需要使用更多的去耦电容。这篇应用笔记讨论了由于信号缩小所引起的SNR损失，如何量化这些损失，以及如何减小这些损失。

　　很多传感器或系统输出为高压或双极性消耗，比如，常见的±10V。当然，可以通过一些简单的方法将这些信号送入ADC，进而利用高压ADC处理这些宽范围输入信号，不会造成SNR损失。这些方案通常需要额外的高压电源，以满足输入量程及较大功率的需求（图1所示）。这些高压ADC同时也限制了信号调理（运放）方案的使用。如果信号需要复用高压和低压输入，实际电路的成本将更高（图2）。

　　图1. MX574A高压ADC能够支持较大的输入信号量程，但也消耗较高功率。
为了实现这个方案，必须采用±15V双电源和+5V单电源供电。

　

　　图2. 多路复用、双极性高压输入ADC系统。

　　也可以使用一个输入运放，将信号缩小到低压ADC的满量程范围。该信号调理电路可以连接到一个单独的模拟开关输入口（如图3），将所有信号都限制在ADC输入范围以内。

　　图3. 采用单片MAX11100低压ADC和复用器处理高压输入。

　　采用运放缩小信号电压范围时，可以将运放噪声等效为运放的输入噪声。这里主要有两个噪声源：运放参考输入噪声和压缩信号产生的ADC输入参考噪声。这两个噪声源组合成一个二次方程。此外，放大器噪声经过ADC输入带宽以及运放和ADC输入之间的抗混叠滤波器滤波，如图4所示。

　　图4. 比例运放引入噪声，但该噪声经过RC滤波和ADC输入网络滤波。

　　系统SNR （运放输入前端）公式为：

　　

　　其中：

　　nADC = ADC的输入RMS噪声

　　nOPA = 运放的输入噪声

　　f-3dB = 单极点-3dB频率

　　对于给定的ADC满量程范围、ADC输入参考噪声、运放增益，有两个参数会影响到最终的信噪比损失：滤波器截止频率和放大器输入参考噪声。

　　如果信号源具有低频成分，可通过设计滤波器使其具有更高的输入噪声容限（在保证低功耗、低成本需求的同时，会牺牲一定的噪声性能）。如果ADC限制了系统带宽，则需要运放具有足够低的输入噪声，以达到SNR的要求。

　　举一个例子，输入信号为±10V，而ADC满量程输入为5VP-P，ADC SNR为92dB。此时，放大器衰减系数是4倍（将输入调整到满量程）。数据手册提供的ADC输入噪声是44.4nVRMS。假设滤波器截止频率为10kHz，如果采用输入噪声为10nV/√Hz的运放，则损失信噪比为：

　　SNR（loss） = 0.035dB

　　如果没有使用滤波器，ADC带宽为10MHz，为了将SNR控制在同等水平，则要求输入噪声为0.3nV/√Hz，设计中很难达到这样的要求。

　　对于同样10MHz带宽的ADC，如果我们允许SNR（loss） = 0.5dB，则要求运放噪声指标为4nV/√Hz，这一点很容易做到。