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ADC的SNR:位数到底去那了?
 
作者:Bonnie Baker   来源:EDN    点击数:618   更新时间:2007-7-19
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  理论上,一个ADC的SNR(信号与噪声的比值)等于(6.02N+1.76)dB,这里N等于ADC的位数。虽然我的数学技巧有点生疏,但我认为任何一个16位转换器的信噪比应该是98.08dB。但当我查看模数转换器的数据手册时,我看到一些不同的情况。比如,16位的(逐次逼近型)模数转换器指标的典型值通常可低至84dB高达95dB。生产厂家很自豪地把这些值写在产品的数据手册的首页,而且坦率地说,信噪比为95dB的16位ADC具有竞争力。除非我错了,计算的98.08dB高于所找到最好的16位ADC数据手册中的96dB。那么,这些位数到那去了?

  让我们先找出理想化的公式(6.02N+1.76)从何而来。任何系统的信噪比,用分贝来表示的话,等于20log10(信号的均方根/噪音的均方根)。推导出理想的信噪比公式时,首先定义信号的均方根。如果把信号的峰峰值转换为均方根,则除以公式 即可。ADC的均方根信号用位数表示等于公式,这里q是LSB(最低有效位)。

  所有ADC产生量化噪声是把输入信号抽样成离散“桶”的后果。这些桶的理想宽度等于转换器LSB的大小。任何ADC位的不确定值是±1/2 LSB

。如果假定对应每个位误差的响应是三角形的话,则其均方根等于LSB信号的幅值除以公式,均方根的噪声则公式

  综合均方根和均方根噪声条件,理想ADC的SNR用分贝表示为:

公式

  重复刚才的问题,那些位数到底去那了? 那些ADC的供应商热情地解释这个失位现象,因为他们的众多试验装置表明产品具有良好的信噪比。从根本上说,他们认为电阻和晶体管的噪声导致了这种结果。供应商测试其ADC的SNR是通过将他们的数据带入下面的公式:

公式

  这些理论和测试SNR的公式是完善的,但他们只能提供部分你需要知道的转换器到底能给予你的位数。THD (总谐波失真),另一个要注意的ADC指标,定义为谐波成分的均方根和,或者是输入信号功率的比值

或者

这里HDx是x次谐波失真谐波的幅值,PS是一次谐波的信号功率,Po是二次到八次谐波的功率。ADC的重要指标,INL(积分非线性)误差清晰地出现在THD结果中。

  最后,SINAD(信号与噪声+失真比)定义为信号基波输入的RMS值与在半采样频率之下其它谐波成分RMS值之和的比值,但不包括直流信号。对SAR和流水线型而言,SINAD的理论最小值等于理想的信噪比,或6.02N+1.76dB。至于Δ-Σ转换器的理想SINAD等于(6.02N+1.76dB+公式,其中fS是转换器采样频率,BW是感兴趣的最大带宽。非理想SINAD值为公式或者公式

       其中PS是基波信号功率,PN是所有噪声谱成分的功率,PD是失真谱成分功率。

  因此,下一次当你寻找丢失的位数时,记住它是结合了SNR、THD和SINAD等多个指标,这些可以让您全面了解ADC的真实位数--无论它采用的是逐次逼近型、流水线型还是Δ-Σ技术,不管在数据手册的第一页中提到有多少位。



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