数据转换器中的噪声量化噪声方案

数据转换器包含常见的半导体噪声源，例如散粒、雪崩、闪烁和爆米花噪声。此外，真实的数据转换器系统具有误差，包括量化、时钟抖动、通道线性度和带宽。实际使用工业数据表来确定可以达到的系统规格。将介绍有助于分析这些参数的设计工具，以及控制和减少其他系统噪声元素的建设性方法。

噪声是系统中的一种干扰，它会影响信号质量，在模拟通信中更为突出。一个能够在显着水平上抵抗噪音的设备可以被认为是一个好设备。为了设计一个尽可能避免这些失真的系统，首先确定可能的噪声源是明智之举。本教程是有关管理信号链中噪声的系列讨论的延续。在这一部分中，重点介绍了数据转换器中噪声和失真的来源。

信号链中的噪声 信号链中的噪声源可以是内部的，也可以是外部的。管理信号链中的噪声需要仔细检查链中的每个电路，以尽可能减少噪声。这是我们讨论的基本和关键，因为噪声一旦嵌入信号中，就很难或不可能消除。

重要的是，我们首先简要回顾一下关于恼人的半导体噪声的第 1 部分文章中的一些基本但至关重要的主题。了解电噪声在今天比以往任何时候都更加重要。随着 14 位和 16 位数据转换器成为主流，并且 18 位和 24 位转换器越来越可用，噪声通常是限制系统性能的单一因素。毫无疑问，识别其起源和特征是实现信号链最大可能精度的关键。

一般来说，噪声是电气系统中不受欢迎的任何电气现象。根据其来源，噪声可分为外部（干扰）或内部（固有）。本文将重点介绍所有数据转换器中固有的以及由采样过程引起的噪声。

在图 1 中，所有外部噪声源都被组合成术语 Vext。所有内部噪声源都被组合成术语 Vint。

现在我们将研究数据转换器中四种常见的噪声和失真类型：量化噪声、采样抖动、谐波失真和模拟噪声。

数据转换器中的噪声量化噪声

量化噪声是数据转换器中最著名的噪声源。它是由转换器中使用的采样和量化过程中固有的误差引起的。这种噪声的大小由三个因素决定：分辨率、微分非线性和带宽。

分辨率

量化是将连续信号划分为 2N 个离散电平而产生的不确定性，其中 N 是以比特为单位的分辨率。给定量子内的所有模拟电压都具有相同的代码，这会导致量化不确定性。这种不确定性称为“量化误差”。量化误差的均方根 (RMS) 值是量化噪声。量化误差与 2N 成反比。图 2 显示了理想 ADC 随时间变化的量化误差，该图还显示了量化误差如何随着分辨率的提高而降低。

分辨率为 N 的理想数据转换器的 RMS 量化噪声由下式给出：

微分非线性

数据转换器的微分非线性 (DNL) 是任何代码宽度与理想 1 LSB 步长的偏差。理想数据转换器的 DNL 为 0，但当今大多数精密数据转换器的 DNL < 1。数据转换器的平均 DNL 增加了其平均量化误差，因此增加了量化噪声。

数据转换器数据表中通常不指定平均 DNL，但是，可以使用典型的 DNL 规范以合理的精度代替它。RMS 量化噪声，包括分辨率 (N) 和 DNL 的影响，由下式给出：

带宽

到目前为止描述的量化噪声假设使用了完整的奈奎斯特带宽。

如果采样频率 (Fs) 和输入信号在谐波上不相关，则量化噪声呈高斯分布，并在 DC 和奈奎斯特频率 (Fn) 之间均匀分布。奈奎斯特频率 (Fn) 始终是采样频率 (Fs) 的一半。该噪声频谱密度如图 4 所示。

在图 4 中，量化噪声电压是工作带宽内噪声密度曲线下的噪声。

RMS 量化噪声，包括分辨率 (N)、DNL 和 BW 的影响，由下式给出：

其中 BW 定义为奈奎斯特频率 (Fn) 的百分比。

模拟噪声

模拟噪声 (Vn) 是指 ADC 输入或 DAC 输出的有效噪声。它是由本系列文章第 1 部分中讨论的半导体噪声源引起的。它可以指定为以 nV/√Hz 为单位的噪声频谱密度，以 RMS 或峰峰值为单位的电压，或以 RMS 或峰峰值为单位的 LSB。Vn 可以来自内部或外部来源，是随机的，并假定为高斯分布。

Vn 通常以 LSBRMS 为单位给出。在 ADC 中，Vn 被称为转换噪声，因为它在从一个输出代码转换到下一个输出代码时表现为不确定性。当 Vn 以 LSBRMS 给出时，等效峰峰值噪声可通过以下公式获得：

半导体中有五种常见的基本噪声源 (Vn)：热噪声、散粒噪声、雪崩噪声、闪烁噪声和爆米花噪声。本系列的第 1 部分详细讨论了这些噪声源，但现在值得一提的是另一个噪声源：kT/C 噪声。

外部噪声

我们已经讨论了内部噪声的来源，但外部噪声的来源也很多。外部噪声可能来自信号链本身以外的任何地方，例如来自电源、数字开关、射频 (RFI) 和电磁干扰 (EMI)。这些外部源中的每一个都需要由适当的 PC 板 (PCB) 布局控制，包括接地和接地星点。电源去耦电容器、低通滤波器、RFI 和 EMI 屏蔽都需要对组件和系统有很好的了解。电容器及其自谐振、电感器、铁氧体磁珠和电阻器等串联元件都在最小化侵入噪声方面发挥着重要作用。

数据转换器数据手册中的噪声是如何规定

以下技术指标摘自MAX1062 ADC数据手册。

该表显示了典型数据表中可能出现的分辨率、DNL、孔径抖动、THD 和模拟噪声。

结论

在本文中，我们了解了各种数据转换器参数如何影响信号链中的噪声。这些包括分辨率、差分非线性、工作带宽、时钟抖动、谐波失真以及输入或输出参考噪声。