ADC基本参数有哪些?如何提高ADC的性能?

[关键字]：ADC  指数  模拟数字转换器

[导读] 为增进大家对ADC模拟数字转换器的认识，本文将对ADC模拟数字转换器基本参数以及提高ADC模拟数字转换器性能的建议予以介绍。

ADC在进行模数转换时，一般要经过采样、量化和编码这几个步骤。为增进大家对ADC模拟数字转换器的认识，本文将对ADC模拟数字转换器基本参数以及提高ADC模拟数字转换器性能的建议予以介绍。

一、ADC基本参数

1) 位宽

即前一节提到的量化位数，常见的有8bit，10bit，12bit，16bit，24bit。比较少见的部分高速ADC有6bit~8bit。

2) 分辨率

ADC所能分辨的最小量化信号的能力，最小分辨能力Δ=输入满量程电压/2^N。分辨率主要由ADC的位数(输出数字量的位数)决定，也与输入满量程有一定的关系。如一个输出满量程为0~5V的ADC、8位的ADC，其最小变化量为5V/2^8，约为19.5mV。若将ADC的位宽增加为10位，则ADC的最小变化量为5V/2^10，约为4.88mV。

3) 量化误差Σ

在量化过程中由于所采样的电压不一定能被Δ(最小量化单位)整除，所以量化前后存在一定误差，此误差称为量化误差。量化误差属于原理误差，无法消除，理论上转换器的位数越高，各离散电平之间的差值越小，量化误差就越小。

4) INL

INL (IntergerNonLinear, 积分非线性), 指ADC实际转换曲线与理想曲线在纵轴方向的差值，单位LSB，用于表示实际转换曲线与理想的偏差程度。

5) DNL

DNL (DifferentialNonLinear, 微分非线性), 指ADC的实际量化台阶与对应于1LSB的理想值之间的差异。理想ADC偏差为0LSB。若DNL<1LSB，意味着传输函数具有单调性，没有丢码。

6) SNR

SNR (Signal NoiseRatio，信噪比), ADC输出信号功耗和噪声功耗的比值，用dB表示。SNR=10*log(P_signal/P_noise)，其中信号频谱图中基波分量有效值，噪声=总能量-信号能量和谐波能量。理想ADC的噪声主要来自量化噪声。

二、提高ADC性能的建议

虽然ADC看起来非常简单，但它们必须正确使用才能获得最优的性能。ADC具有与简单模拟放大器相同的性能限制，比如有限增益、偏置电压、共模输入电压限制和谐波失真等。ADC的采样特性需要我们更多地考虑时钟抖动和混叠。以下一些指南有助于工程师在设计中充分发挥ADC的全部性能。

1、模拟输入

要认真对待ADC的模拟输入信号，尽量使它保持干净，“无用输入”通常会导致“数字化的无用输出”。模拟信号路径应远离任何快速开关的数字信号线，以防止噪声从这些数字信号线耦合进模拟路径。

虽然简化框图给出的是单端模拟输入，但在高性能ADC上经常使用差分模拟输入。差分驱动ADC可以提供更强的共模噪声抑制性能，由于有更小的片上信号摆幅，因此一般也能获得更好的交流性能。差分驱动一般使用差分放大器或变压器实现。变压器可以提供比放大器更好的性能，因为有源放大器会带来影响总体性能的额外噪声源。但是，如果需要处理的信号含有直流成份，具有隔直流特性的变压器就不能用。在设计预驱动电路时必须考虑驱动放大器的噪声和线性性能。需要注意的是，因为高性能ADC通常有非常高的输入带宽，因此在ADC输入引脚处直接滤波可以减少混入基带的宽带噪声数量。

2、参考输入

参考输入应看作是另一个模拟输入，必须尽可能保持干净。参考电压(VREF)上的任何噪声与模拟信号上的噪声是没有区别的。一般ADC的数据手册上会规定要求的去耦电容。这些电容应放置在离ADC最近的地方。为了节省电路板面积，PCB设计师有时会将去耦电容放在PCB的背面，这种情况应尽可能避免，因为过孔的电感会降低高频时电容的去耦性能。VREF通常用来设置ADC的满刻度范围，因此减小VREF电压值会减小ADC的LSB值，使得ADC对系统噪声更加敏感(1V满刻度10位ADC的LSB值等于1V/210=1mV)。

3、电源输入

大多数ADC有分离的电源输入，一个用于模拟电路，一个用于数字电路。推荐在尽量靠近ADC的位置使用足够多的去耦电容。尽量减少PCB的过孔数量，并减小从ADC电源引脚到去耦电容的走线长度，从而使ADC和电容之间的电感为最小。就像参考电压去耦一样，电路板设计师为了节省电路板面积有时会把去耦电容放在芯片下方PCB板的背面，基于同样的理由，这种情况也应避免。ADC数据手册一般会提供推荐的去耦方案。为了达到特定的性能，电源和地经常会采用专门的PCB层实现。

4、数字输出

ADC开关数字信号输出会产生瞬时噪声，并向后耦合到ADC中敏感的模拟电路部分，从而引发故障。缩短输出走线长度以减小ADC驱动的电容负载有助于减小这一影响，在ADC输出端放置串行电阻也可以降低输出电流尖峰。ADC数据手册通常对此也有一些设计建议。