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模數轉換器如何選擇?這些指標的影響一定要get!
文章來(lái)源:永阜康科技 更新時(shí)間:2019/9/16 9:44:00
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模數轉換器如何選擇?這些指標的影響一定要get!

在選擇器件時(shí),我們常常會(huì )對DATASHEET上的技術(shù)指標有所取舍,畢竟不是每一項技術(shù)指標都對自己想要實(shí)現的系統目標造成影響,而對于A(yíng)DC來(lái)說(shuō),信噪比(SNR),毫無(wú)疑問(wèn)是人們重點(diǎn)關(guān)注的對象。

那么除了信噪比之外,其他的技術(shù)指標對于我們的系統來(lái)說(shuō)又會(huì )產(chǎn)生哪些影響呢?

01

分辨率

分辨率,可能是最易被誤解的技術(shù)指標,它表示輸出位數,但不提供性能數據。部分數據手冊會(huì )列出有效位數(ENOB),它使用實(shí)際SNR測量來(lái)計算轉換器的有效性。一種更加有用的轉換器性能指標是噪聲頻譜密度(NSD),單位為dBm/Hz或HznV。NSD可以通過(guò)已知的采樣速率、輸入范圍、SNR和輸入阻抗計算得出(dBm/Hz)。已知這些參數,便可選擇一款轉換器來(lái)匹配前端電路的模擬性能,這種選擇ADC的方法比僅僅列出分辨率更有效。

許多用戶(hù)還會(huì )考慮雜散和諧波性能,這些都與分辨率無(wú)關(guān),但轉換器設計人員一般要調整他們的設計,使諧波與分辨率相一致。

02

電源抑制(PSR)

電源抑制(PSR)測量電源紋波如何與ADC輸入耦合,顯現在其數字輸出上。如果PSR有限,相對于輸入電平,電源線(xiàn)上的噪聲將僅會(huì )受到30至50 dB的抑制。

一般而言,電源上的無(wú)用信號與轉換器的輸入范圍相關(guān)。例如,如果電源上的噪聲是20 mV rms ,而轉換器輸入范圍是0.7 Vrms,,則輸入上的噪聲是–31 dBFS。如果轉換器的PSR為 30 dB,則相干噪聲會(huì )在輸出中顯現為一條–61 dBFS譜線(xiàn)。在確定電源將需要多少濾波和去耦時(shí),PSR尤其有用,PSR在醫療應用或工業(yè)應用等高噪聲環(huán)境中非常重要。

1

圖1.電源紋波抑制比(PSRR)vs.頻率

03

共模抑制(CMR)

共模抑制(CMR)測量共模信號存在時(shí)所引起的差模信號。許多ADC采用差分輸入來(lái)實(shí)現對共模信號的高抗擾度,因為差分輸入結構本身能抑制偶數階失真產(chǎn)物。

與PSR一樣,電源紋波、接地層上產(chǎn)生的高功率信號、混頻器和RF濾波器的RF泄漏以及能夠產(chǎn)生高電場(chǎng)和磁場(chǎng)的應用會(huì )引入共模信號,雖然許多轉換器未規定CMR,但他們通常具有50至80 dB的CMR。

04

時(shí)鐘相關(guān)技術(shù)指標

時(shí)鐘相關(guān)技術(shù)指標,盡管比較重要,但并不總是作出規定,而且可能難以確定。

2

圖2. 輸入時(shí)鐘與采樣噪聲的關(guān)系 

05

時(shí)鐘壓擺率

時(shí)鐘壓擺率是實(shí)現額定性能所需的最小壓擺率。多數轉換器在時(shí)鐘緩沖器上有足夠的增益,以確保采樣時(shí)刻界定明確,但如果壓擺率過(guò)低使得采樣時(shí)刻很不確定,將產(chǎn)生過(guò)量噪聲。如果規定最小輸入壓擺率,用戶(hù)應滿(mǎn)足該要求,以確保額定噪聲性能。

06

孔徑抖動(dòng)

孔徑抖動(dòng)是ADC的內部時(shí)鐘不確定性。ADC的噪聲性能受內部和外部時(shí)鐘抖動(dòng)限制。

在典型的數據手冊中,孔徑抖動(dòng)僅限轉換器。外部孔徑抖動(dòng)以均方根方式與內部孔徑抖動(dòng)相加。對于低頻應用,抖動(dòng)可能并不重要,但隨著(zhù)模擬頻率的增加,由抖動(dòng)引起的噪聲問(wèn)題變得越來(lái)越明顯。如果不使用充足的時(shí)鐘,性能將比預期要差。

除由于時(shí)鐘抖動(dòng)而增加的噪聲以外,時(shí)鐘信號中與時(shí)鐘不存在諧波關(guān)系的譜線(xiàn)也將顯現為數字化輸出的失真。因此,時(shí)鐘信號應具有盡可能高的頻譜純度。

孔徑延遲是采樣信號的應用與實(shí)際進(jìn)行輸入信號采樣的時(shí)刻之間的時(shí)間延遲。此時(shí)間通常為納秒或更小,可能為正、為負或甚至為零。除非知道精確的采樣時(shí)刻非常重要,否則孔徑延遲并不重要。

07

轉換時(shí)間和轉換延遲

轉換時(shí)間和轉換延遲是兩個(gè)密切相關(guān)的技術(shù)指標。轉換時(shí)間一般適用于逐次逼近型轉換器(SAR),這類(lèi)轉換器使用高時(shí)鐘速率處理輸入信號,輸入信號出現在輸出上的時(shí)間明顯晚于轉換命令,但早于下一個(gè)轉換命令。轉換命令與轉換完成之間的時(shí)間稱(chēng)為轉換時(shí)間。

轉換延遲通常適用于流水線(xiàn)式轉換器。作為測量用于產(chǎn)生數字輸出的流水線(xiàn)(內部數字級)數目的技術(shù)指標,轉換延遲通常用流水線(xiàn)延遲來(lái)規定。通過(guò)將此數目乘以應用中使用的采樣周期,可計算實(shí)際轉換時(shí)間。

08

喚醒時(shí)間

喚醒時(shí)間,為了降低功耗敏感型應用的功耗,器件通常在相對不用期間關(guān)斷,這樣做確實(shí)可以節省大量功耗,但器件重新啟動(dòng)時(shí),內部基準電壓源的穩定以及內部時(shí)鐘的功能恢復都需要一定的時(shí)間,此時(shí)轉換的數據將不滿(mǎn)足技術(shù)指標。

09

輸出負載

輸出負載,同所有數字輸出器件一樣,ADC,尤其是CMOS輸出器件,規定輸出驅動(dòng)能力。出于可靠性的原因,知道輸出驅動(dòng)能力比較重要,但最佳性能一般是在未達到完全驅動(dòng)能力時(shí)。

在高性能應用中,重要的是,將輸出負載降至最低,并提供適當的去耦和優(yōu)化布局,以盡可能降低電源上的壓降。為了避免此類(lèi)問(wèn)題發(fā)生,許多轉換器都提供LVDS輸出。LVDS具有對稱(chēng)性,因此可以降低開(kāi)關(guān)電流并提高總體性能。如果可以,應該使用LVDS輸出以確保最佳性能。

10

未規定標準

未規定標準,一個(gè)至關(guān)重要的未規定項目是PCB布局。雖然可規定內容的不多,但它會(huì )顯著(zhù)影響轉換器的性能。例如,如果應用未能采用充足的去耦電容,就會(huì )存在過(guò)多的電源噪聲。由于PSR有限,電源上的噪聲會(huì )耦合到模擬輸入中,并破壞數字輸出頻譜,如圖3所示。

3

圖3a. 電容與性能

4

圖3b. 有限電容與性能

 
 
 
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