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(多图) 了解高速ADC的交流特性

ADI?? 2014年10月15日 ?? 收藏2
在消费、医疗、汽车甚至工业领域,越来越多的电子产品利用高速信号技术来进行数据和语音通信、音频和成像应用。尽管这些应用类别处理的信号具有不同带宽,且相应使用不同的转换器架构,但比较候选ADC(模数转换器)及评估具体实施性能时,这些应用具有某些共同特性。具体而言,从事这些不同应用类别的设计师需要考虑许多常见的转换器交流性能特征,这些特征可能决定系统的性能限制。

量化

所有ADC 接收在时间和幅度上连续的输入信号,并输出量化的离散时间样本。ADC 的双重功能(量化和采样)提供从模拟到数字信号域的有效转换,但每种功能对转换器交流性能均有影响。

由于数字转换器用于分析连续输入信号的代码数量有限,其输出会在锯齿波形上产生误差函数。锯齿边沿对应于ADC 的码字跃迁。

为了测量量化误差的最佳情况下的噪声作用,假设将满量程正弦波输入完美数字转换器:

了解高速ADC的交流特性

其中q 是LSB 的大小,N 是位数。该波形的均方根幅度即为幅度除以2 的平方根。

了解高速ADC的交流特性

均方根量化噪声为

了解高速ADC的交流特性

均方根满量程信号与均方根量化噪声之比为ADC 提供了理想SNR,可用分贝表示:

了解高速ADC的交流特性

(公式1)

请记住,该公式给出的是N 位转换器的理论限制。真实量化器无法达到这一性能水平,同时真实转换器还有其他噪声源,但这一数字可以作为判断候选ADC 的参考。

采样

在采样器特性中,最为人熟悉的是在大于采样速率一半的频率(fs/2)下混叠信号能量的特性。这一半采样速率限制称为奈奎斯特频率,用于将频谱分割为大小相等的区段,即奈奎斯特区。第一奈奎斯特区范围从DC 至fs/2。第二奈奎斯特区占据fs/2 至fs 之间的频谱,依此类推。

现实中,采样器混叠所有奈奎斯特区上的信号。例如,频率fa下的基带信号镜像呈现为fs ± fa、2fs ± fa,依此类推(图1a)。同样,出现在采样频率附近的信号将向下混叠至第一奈奎斯特区。该信号的镜像也将出现在第三及第四奈奎斯特区内(图1b)。因此输入信号能量不在所需奈奎斯特区内的采样器在混叠作用下将产生该信号在所需奎斯特区内的镜像。

显示为fa(图1b)的带外信号能量不一定来自预期信号源。相反,该能量可能源自噪声源、带外干扰源或采用预期输入信号工作的电路元件产生的失真积。当为您的应用决定必要的失真性能时,这是一项重要的考虑因素。

图1:采样器导致基带信号f<sub>a</sub>的镜像)与采样频率f<sub>s</sub> 及其谐波(A)出现偏移。频谱偏移等于±f<sub>a</sub>。出现在采样速率附近的信号、噪声和干扰频谱向下混叠至基带(B)内。镜像也将出现在较高奈奎斯特区内。
图1:采样器导致基带信号fa的镜像)与采样频率fs 及其谐波(A)出现偏移。频谱偏移等于±fa。出现在采样速率附近的信号、噪声和干扰频谱向下混叠至基带(B)内。镜像也将出现在较高奈奎斯特区内。

通过在信号链内采样器输入之前加入基带抗混叠滤波器,可以减小采样器可用的带外信号能量。虽然理论上可以仅在需要数字化的最高频率到达两倍时采样,模拟域内不存在所谓的砖墙式滤波器,即零过渡带的滤波器。过采样,即在大于2fs 的频率下采样,为抗混叠滤波器过渡带提供一些频谱空间。

如果ADC 量化噪声与交流输入信号无关,则噪声分布于第一奈奎斯特区中。在这种情况下,过采样还会通过加宽奈奎斯特区减少有效量化噪声,从而在采样速率每次加倍时将SNR(信噪比)增加3 dB。这相当于具有固定通带的抗混叠滤波器。如果进行充分过采样,抗混叠滤波器可削弱带外信号成分,使其混叠镜像保持在本底噪声以下。

应注意,如果输入信号锁定在采样频率的整数约数处,量化噪声将不再表现为奈奎斯特区中的均匀能量分布。这种情况下,量化噪声将表现为关于信号谐波的群集。为此,在选择采样速率时,应仔细考虑应用信号的频谱特性。


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高速ADC? SNR? SINAD? ENOB?

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