模数转换器

模拟 IP 创新者 Agile Analog 推出了首个可定制、跨工艺的 12 位模数转换器 （ADC），从而扩展了其数据转换 IP 范围。

<strong><font color="#004a85">作者：Jenson Fang</font> </strong>

逐次逼近型（SAR）ADC是在在工业，汽车，通讯行业中应用最广泛的ADC之一，例如电机电流采样，电池电压电流监控，温度监控等等。

通常工程师在设计SAR ADC时，通常需要注意以下三个方面：ADC前端驱动设计，参考电压设计，数字信号输出部分设计。本文将介绍ADC的前端驱动所需要的注意的一些要素。

如图所示是一个常见的SAR ADC的驱动电路包括驱动放大器和RC滤波。接下来将从如何设计RC滤波器，以及如何选择合适的运算放大器展开。

现代SAR和∑-Δ型模数转换器（ADC）的主要优势之一是在设计中考虑了易用性。不仅简化了系统设计人员的工作，而且可以复用参考设计。在很多情况下，您可以构建一个参考设计长时间用于不同场合的应用。精密测量系统的硬件保持不变，而软件实现可适应不同系统的需要。

这就是可重用的美妙之处，但实际生活中没有那么完美。多个应用采用单一设计的主要缺点是，您放弃了实现dc、地震、音频和更高带宽应用的绝对最高可能性能所需的自定义和优化。在急于重用和完成设计的过程中，往往会牺牲精确性能。容易忽略的一个主要方面是时钟。在本文中，我们将讨论时钟的重要性，并为正确设计高性能转换器提供指导。

<strong>ADC基础知识</strong>

<strong>抖动和信噪比之间的关系</strong>

在查阅现有文献时，我们看到了有关ADC性能依赖于抖动参数的大量描述，并且通常此类标题会包含“高速”一词，这不无道理。为了监察抖动和信噪比（SNR）之间的关系，首先来看SNR数值和rms（均方根）抖动之间的关系。

如果抖动是系统中的主要噪声源，则此关系简化为：

<strong>高分辨率Δ-ΣADC中有关噪声的十大问题</strong>

任何高分辨率信号链设计的基本挑战之一是确保系统本底噪声足够低，以便模数转换器（ADC）能够分辨您感兴趣的信号。例如，如果您选择德州仪器ADS1261（一个24位低噪声Δ-ΣADC），您可在2.5 SPS下解析输入低至6 nVRMS，增益为128 V / V的信号。

但是，从系统的角度来看，您需要担心的不仅仅是ADC噪声——毕竟所有组件（包括放大器、电压基准、时钟和电源）都会产生一些噪声——这些器件对系统噪声的累积影响是什么？更重要的是，您的系统能够解决您感兴趣的信号吗？

为助您更好地理解系统噪声并将这些知识应用到您的设计中，我们早前发布了“解决信号”的技术文章系列，探讨了典型信号链中的常见噪声源，并通过降低噪声和保持高精度测量的方法辅助理解。

以下是该系列中10个最关键的问题和答案，可帮助您开始使用精密ADC进行设计。

<strong>1、您将在ADC中发现何种类型的噪声？</strong>

<font color="#FF0000">作者：Patrick Butler</font>

<strong>简介</strong>

在物联网和云计算成为生活一部分，在行业媒体大肆宣扬之际，通过采用最先进的技术和优化设计，老式电子元件并未停止前进的步伐。其中一个例子是模数转换器，该器件现在可以超过每秒一兆次采样(MSPS)的速率实现32位分辨率，轻松通过传统的计量基准测试。

Rob Reeder，ADI（美国北卡罗来纳州格林斯博罗）工业与仪器仪表部门高级系统应用工程师，负责防务和航空航天应用，发表了大量有关各种应用的转换器接口、转换器测试和模拟信号链设计的论文。

Rob曾在高速转换器产品线上担任应用工程师8年之久，他撰写的《浅谈转换器的噪声》从两个方面来谈转换器的噪声。分享在这里，共坛子里的侠士们参考、学习~

<strong>从模数转换器的角度来看，噪声系数是不是很重要？</strong>

从转换器的角度来看，噪声指数（NF）和信噪比（SNR）是可以互换的。噪声指数让您对噪声密度有很好的理解, 而信噪比是衡量有关频带内总噪声的大小。 下面 ，让我们详细的讨论下噪声指数，一些折衷做法可能会导致人们的误解，而且 低噪声指数并不总是意味着转换器有较低的前端噪声。

当我们需要了解级联信号链系统中噪声对设计的动态影响时，往往会用到噪 声指数(NF)。请记住，当源电阻增加到原来的四倍时，噪声指数将改善6 dB，但同时，随着电阻的增加，相应地也增加了进入模数转换器的热噪声。当源电阻增大, 或是加到转换器的模拟前端（变压器、放大器或其它）的输入信号达到满量程一半时, 在感兴趣的带宽内的噪声就越难于处理，从而最终恶化转换器的性能。

在任何设计中，信号链精度分析都可能是一项非常重要的任务，必须充分了解。在本系列的第二部分中，我们讨论了在整个信号链累积起来并且最终会影响到转换器的多种误差。请记住，转换器是信号链的瓶颈，最终决定着信号的表示精度。因此，转换器的选择是设定系统整体要求的关键。在本文中，我们将以上述认识为基础，重点分析可能在给定信号链中累积的直流误差的类型。

在信号链中，可能会累积的误差有两类——即直流和交流误差。直流或静态误差(如增益和失调误差)有助于了解信号链的精度或灵敏度。交流类误差也称为噪声和失真，限制着系统的性能和动态范围。这两类误差都需要了解，因为二者最终决定着系统的分辨率。

本文将专门分析直流误差，根据其与无源和有源器件的关系，对每种不精确性进行细分。同时还将制作一份矩阵或电子表格，用以展示如何用不同的方法在信号中添加或累积误差。

若要了解交流误差，请看参考文献10和11。在此，通过回顾有关噪声的基本知识(如带宽总和、从交流角度看误差累积等)，可以确定模拟信号链设计的总信噪比。

在第一部分中，我们讨论了一般静态模数转换器的不精确性误差和涉及带宽的ADC不精确性误差。希望这些内容有助于加深读者对ADC误差以及这些误差如何影响信号链的理解。基于此，要记住的是，并非所有组件都是一样的——有源和无源器件均是如此，因此，无论系统最终选择了什么器件，模拟信号链中都会存在误差。

本文将描述精度、分辨率和动态范围之间的差异。本文还将揭示信号链内部的不精确性是如何累积并导致误差的。定义新设计的系统参数时，这些内容对于理解如何正确指定或选择一个ADC有着重要作用。

<strong>精度、分辨率与动态范围</strong>

许多转换器用户似乎在互换使用精度和分辨率这两个术语，但这种做法是错误的。精度和分辨率这两个术语并不相等，但是具有相关性，所以，不应互换使用。可以把精度和分辨率视为堂兄妹，但不是双胞胎。

精度就是误差，或者说测量值偏离真值的幅度。精度误差可以称为灵敏度错误。分辨率就是测得值的表示或显示精细度。即使系统的分辨率为12位，也并不意味着它能测量精度为12位的值。

<strong><font color="#FF0000">作者：Ian Beavers</font> </strong>

对于需要一系列同步模数转换器(ADC)的高速信号采样和处理应用，解偏斜和转换器的延迟变化匹配是至关重要的。围绕该特性展开的系统设计极为关键，因为从模拟采样点到处理模块之间的任何延迟失配都会使性能下降。对于交错式处理而言，样本对齐同样是必需的；在交错式处理时，一个转换器样本后紧跟另一个样本，且时间仅为一个时钟周期中的一小部分......