前言
本文主要對(duì)ADC的噪聲進(jìn)行分析分類，并分析了高低分辨率的ADC特性差異，以便于利用ADC特性進(jìn)行更好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
ADC 噪聲的類型
噪聲是添加到所需信號(hào)上的任何不需要的信號(hào)（通常是隨機(jī)的），導(dǎo)致它偏離其原始值。所有電氣系統(tǒng)都固有噪聲，因此不存在“無(wú)噪聲”電路。
在電子電路中，噪聲有多種形式，包括：
- 寬帶（thermal ，Johnson）噪聲，它是由電導(dǎo)體內(nèi)的電荷物理運(yùn)動(dòng)引起的與溫度相關(guān)的噪聲。
- 1/f（pink，flicker）噪聲，它是一種低頻噪聲，其功率密度與頻率成反比。
- 爆米花（burst）噪聲，本質(zhì)上是低頻且由設(shè)備缺陷引起，使其隨機(jī)且在數(shù)學(xué)上不可預(yù)測(cè)。
- 這些形式的噪聲可能通過(guò)多種來(lái)源進(jìn)入信號(hào)鏈，包括：
- ADC，它產(chǎn)生熱噪聲和量化噪聲的組合。
- 內(nèi)部或外部放大器，可以添加寬帶和 1/f 噪聲，然后 ADC 對(duì)其進(jìn)行采樣，從而影響輸出代碼結(jié)果。
- 內(nèi)部或外部參考電壓，也會(huì)產(chǎn)生出現(xiàn)在 ADC 輸出代碼中的寬帶和 1/f 噪聲。
- 非理想電源，可能會(huì)通過(guò)多種耦合方式將噪聲添加到您嘗試測(cè)量的信號(hào)中。
- 內(nèi)部或外部時(shí)鐘，它們產(chǎn)生的抖動(dòng)會(huì)轉(zhuǎn)化為非均勻采樣。這似乎是正弦輸入信號(hào)的額外噪聲源，通常對(duì)高速 ADC 更為關(guān)鍵。
- 印刷電路板 (PCB) 布局不佳，可能會(huì)將來(lái)自系統(tǒng)其他部分或環(huán)境的噪聲耦合到敏感的模擬電路中。
- 傳感器，它可能是高分辨率系統(tǒng)中噪音最大的組件之一。
下圖描繪了典型信號(hào)鏈中的這些噪聲源。
ADC 中的固有噪聲
可以將總 ADC 噪聲分為兩個(gè)主要來(lái)源：量化噪聲和熱噪聲。這兩個(gè)噪聲源不相關(guān)，因此可以使用和方根法來(lái)確定總 ADC 噪聲 NADC,Total，如公式 1 所示：
每個(gè) ADC 噪聲源都具有特定的屬性，這些屬性在了解如何減輕固有 ADC 噪聲時(shí)非常重要。
下圖描繪了 ADC 的理想傳遞函數(shù)圖（不受失調(diào)或增益誤差的影響）。傳遞函數(shù)從最小輸入電壓水平延伸到最大輸入電壓，并根據(jù)沿垂直軸的 ADC 代碼總數(shù)分為多個(gè)步驟。這個(gè)特定的圖有 16 個(gè)編碼（或步驟），代表一個(gè) 4 位 ADC。 （注意：使用直接二進(jìn)制代碼的 ADC 將具有僅包括第一象限的傳遞函數(shù)。）
量化噪聲來(lái)自將無(wú)限數(shù)量的模擬電壓映射到有限數(shù)量的數(shù)字代碼的過(guò)程。 因此，任何單個(gè)數(shù)字輸出都可以對(duì)應(yīng)多個(gè)模擬輸入電壓，這些電壓可能相差 ½ 最低有效位 (LSB)，如公式中所定義：
其中 FSR 表示以伏特為單位的滿量程 (FSR) 值，N 是 ADC 的分辨率。
如果將此 LSB 誤差映射到一個(gè)量化的 AC 信號(hào)，將得到如下圖所示的圖。請(qǐng)注意量化的階梯形數(shù)字輸出與平滑的正弦模擬輸入之間的差異。取這兩個(gè)波形之間的差異并繪制結(jié)果會(huì)產(chǎn)生如圖 底部所示的鋸齒形誤差。該誤差在 ±½ LSB 之間變化，并在結(jié)果中顯示為噪聲。
類似地，對(duì)于 DC 信號(hào)，與量化相關(guān)的誤差在輸入信號(hào)的 ±½ LSB 之間變化。然而，由于直流信號(hào)沒(méi)有頻率分量，量化“噪聲”實(shí)際上表現(xiàn)為 ADC 輸出中的偏移誤差。最后，量化噪聲的一個(gè)明顯但重要的結(jié)果是 ADC 無(wú)法測(cè)量超出其分辨率，因?yàn)樗鼰o(wú)法區(qū)分輸入中的子 LSB 變化。
與量化噪聲不同，量化噪聲是模數(shù)（或數(shù)模）轉(zhuǎn)換過(guò)程的副產(chǎn)品，熱噪聲是所有電氣元件中固有的一種現(xiàn)象，是電導(dǎo)體內(nèi)電荷物理運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。因此，即使不應(yīng)用輸入信號(hào)，也可以測(cè)量熱噪聲。
不幸的是，不能影響 ADC 的熱噪聲，因?yàn)樗窃O(shè)備設(shè)計(jì)的函數(shù)。在其余部分，將把量化噪聲以外的所有 ADC 噪聲源稱為 ADC 的熱噪聲。
下圖描繪了時(shí)域中的熱噪聲，它通常具有高斯分布。
雖然無(wú)法影響 ADC 的固有熱噪聲，但可能會(huì)改變 ADC 的量化噪聲水平，因?yàn)樗Q于 LSB 大小。然而，量化這種變化的重要性取決于您使用的是“低分辨率”還是“高分辨率”ADC。
低分辨率 ADC 與高分辨率 ADC差異
低分辨率 ADC 是指總噪聲更依賴于量化噪聲的任何器件，例如，
相反，高分辨率 ADC 是其總噪聲更依賴于熱噪聲的任何器件，例如，
低分辨率和高分辨率之間的轉(zhuǎn)換通常發(fā)生在 16 位級(jí)別，小于 16 位的任何器件都被視為低分辨率，而大于 16 位的任何器件都被視為高分辨率。
為什么要在 16 位級(jí)別進(jìn)行區(qū)分？
下表中a 顯示了ADS114S08（一種 16 位 delta-sigma ADC）的實(shí)際噪聲表，而表b 顯示了其 24 位對(duì)應(yīng)物 ADS124S08 的噪聲表。除了分辨率之外，這些 ADC 是相同的。
在 16 位 ADS114S08 的噪聲表中，無(wú)論數(shù)據(jù)速率如何，所有輸入?yún)⒖荚肼曤妷憾枷嗤?。將其與 24 位 ADS124S08 的輸入?yún)⒖荚肼曋颠M(jìn)行比較，這些值都是不同的，并且會(huì)隨著數(shù)據(jù)速率的降低而降低/提高。
雖然這本身并不能得出任何明確的結(jié)論，但使用公式來(lái)計(jì)算每個(gè) ADC 的 LSB 大小，假設(shè)參考電壓為 2.5V：
結(jié)合這些觀察結(jié)果，可以看到其數(shù)據(jù)表中報(bào)告的低分辨率（16 位）ADC 的噪聲性能與其 LSB 大小（最大量化噪聲）相當(dāng)。另一方面，高分辨率（24 位）ADC 數(shù)據(jù)表中報(bào)告的噪聲明顯遠(yuǎn)大于其 LSB 大?。炕肼暎?。在這種情況下，高分辨率 ADC 的量化噪聲非常低，以至于它被熱噪聲有效地隱藏了。
下圖定性地表示了這種比較：
如何利用這個(gè)結(jié)果來(lái)發(fā)揮ADC的優(yōu)勢(shì)？
對(duì)于量化噪聲占主導(dǎo)地位的低分辨率 ADC，可以使用較小的參考電壓來(lái)減小 LSB 大小，從而降低量化噪聲幅度。這具有降低 ADC 總噪聲的效果，如下圖所示。
對(duì)于熱噪聲占主導(dǎo)地位的高分辨率 ADC，使用更大的參考電壓來(lái)增加 ADC 的輸入范圍（動(dòng)態(tài)范圍），同時(shí)確保量化噪聲水平保持在熱噪聲以下。假設(shè)沒(méi)有其他系統(tǒng)發(fā)生變化，這個(gè)增加的參考電壓可以實(shí)現(xiàn)更好的信噪比，如下圖所示。
小結(jié)
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噪音是所有電子系統(tǒng)固有的，無(wú)法徹底去消除。
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噪聲通過(guò)所有信號(hào)鏈組件引入。
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有兩種主要類型的 ADC 噪聲：
- 量化噪聲，它與參考電壓成比例。
- 熱噪聲，對(duì)于給定的ADC，它是一個(gè)固定值。
4. 根據(jù) ADC 的分辨率，一種類型的噪聲通常占主導(dǎo)地位：
- 以量化噪聲為主。
- 分辨率通常受 LSB 大小的限制。
- 降低參考電壓以降低量化噪聲并提高分辨率。
- 以熱噪聲為主
- 分辨率通常>1 LSB。
- 增加參考電壓以增加動(dòng)態(tài)范圍。
- 高分辨率 ADC 特性：
- 低分辨率ADC 特性：