降低ADC信噪比损失的设计技巧
在使用模数转换器(adc)进行设计时，人们很容易错误地认为，缩小输入信号以满足adc的满量程范围，会造成信噪比(snr)的明显降低。
需要处理宽电压摆幅的系统设计人员对此更是尤为关注。此外，与较高电压供电的adc相比，低压供电(5v或更低)的adc更是种类繁多。
较高电压供电通常会导致更大的功耗和更复杂的电路板布局(例如，需要更多的去耦电容)。
本文将讨论影响snr损失(由信号缩放引入)的主要因素，如何对其进行定量分析，以及更重要的是：如何把这种影响降至最低。
传感器或系统产生的许多信号都是双极性高压信号(如广泛使用的±10v信号)。不过，有很多简单的方法可以使这种信号通过adc；也可以采用各种集成高压adc解决方案：可处理这种满量程的大输入信号，而又不牺牲snr。这些解决方案需要极高的供电电压来满足输入范围的要求，并且其功耗也相当大(图1)。这些高压adc还缩小了信号调理(运放)解决方案的选择范围。如果信号需要与高压和低压输入组合多路复用，系统成本会大幅提升(图2)。
还可以使用输入放大器对信号进行缩放，使其与低压adc的满量程输入范围相符合。这种信号调理电路可以连接到一个多路复用输入，从而使所有的信号都能与adc的范围相符合(图3)。
当使用放大器进行信号电压缩放时，噪声以放大器输入为参考。此时，有两个主要的噪声源：放大器本身的输入参考噪声，以及adc的缩小输入参考噪声。这两个噪声源按照二次项的方式组合。此外，放大器的噪声还会通过adc的输入带宽以及放大器与adc输入之间的抗混叠滤波器进行滤波，参见图4.
图4:缩放放大器引入噪声，但噪声由rc电路和adc的输入网络滤波。
系统snr(放大器输入端)的计算公式为：
式中： vnadc为adc的输入rms噪声;vnopa为放大器的输入参考噪声(输入参考的x倍)=单极点-3db频率。
给定adc的满量程范围、adc的输入参考噪声和放大器的比例因子后，有两个变量会影响到snr损失降低的目标：滤波器的截止频率和放大器的输入参考噪声。
如果信号源具有低频分量，可以设计滤波器，使放大器能够容许较大的输入噪声(较高的输入噪声通常与较低的功耗和成本有关)。如果adc限制了系统的带宽，放大器需要具有足够低的输入参考噪声，以便把snr损失控制在可接受的范围内。
举例来说，给定一个±10v输入信号和一个snr为92db的5vp-p满量程范围adc,则比例因子(输入与满量程范围之比)为4.数据表中的adc输入参考噪声为44.4nv rms .假设滤波器的截止频率为10khz,放大器的输入参考噪声为10nv/ (hz) 1/2,则snr的损失为：snr(loss)=0.035db.
如果没有滤波器，并假定adc带宽为10mhz,为了达到相同的snr损失，所需的输入参考噪声则变为0.3nv/(hz) 1/2,这一要求非常严格。
对于10mhz相同带宽的adc,如果允许snr(loss)=0.5db,则对放大器的噪声要求为4nv/(hz) 1/2,相对来说较容易实现。
因此，如果给定了系统带宽和可容许的snr损失，增加比例放大器以使高压信号转换到满量程范围的低压adc,将是完全可行的解决方案。当把多路不同摆幅的信号馈送到一个多路复用的低压adc时，这种解决方案能够实现高性价比的系统。
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还可以使用输入放大器对信号进行缩放，使其与低压adc的满量程输入范围相符合。这种信号调理电路可以连接到一个多路复用输入，从而使所有的信号都能与adc的范围相符合(图3)。
当使用放大器进行信号电压缩放时，噪声以放大器输入为参考。此时，有两个主要的噪声源：放大器本身的输入参考噪声，以及adc的缩小输入参考噪声。这两个噪声源按照二次项的方式组合。此外，放大器的噪声还会通过adc的输入带宽以及放大器与adc输入之间的抗混叠滤波器进行滤波，参见图4.
图4:缩放放大器引入噪声，但噪声由rc电路和adc的输入网络滤波。
系统snr(放大器输入端)的计算公式为：
式中： vnadc为adc的输入rms噪声;vnopa为放大器的输入参考噪声(输入参考的x倍)=单极点-3db频率。
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举例来说，给定一个±10v输入信号和一个snr为92db的5vp-p满量程范围adc,则比例因子(输入与满量程范围之比)为4.数据表中的adc输入参考噪声为44.4nv rms .假设滤波器的截止频率为10khz,放大器的输入参考噪声为10nv/ (hz) 1/2,则snr的损失为：snr(loss)=0.035db.
如果没有滤波器，并假定adc带宽为10mhz,为了达到相同的snr损失，所需的输入参考噪声则变为0.3nv/(hz) 1/2,这一要求非常严格。
对于10mhz相同带宽的adc,如果允许snr(loss)=0.5db,则对放大器的噪声要求为4nv/(hz) 1/2,相对来说较容易实现。
因此，如果给定了系统带宽和可容许的snr损失，增加比例放大器以使高压信号转换到满量程范围的低压adc,将是完全可行的解决方案。当把多路不同摆幅的信号馈送到一个多路复用的低压adc时，这种解决方案能够实现高性价比的系统。
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