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ADC信噪比的分析及高速高分辨率ADC電路的實現(xiàn)

時間:2023-03-18 22:40:45 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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ADC信噪比的分析及高速高分辨率ADC電路的實現(xiàn)

摘要:首先從理論上分析了影響ADC信噪比的因素,然后以此為依據(jù),從電路設計和器件選擇兩方出發(fā),采用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6644AST-65進行高速高分辨率ADC電路設計,并給出電路實測結(jié)果。

在雷達、導航等軍事領域中,由于信號帶寬寬(有時可能高于10MHz),要求ADC的采樣率高于30MSPS,分辨率大于10位。目前高速高分辨率ADC器件在采樣率高于10MSPS時,量化位數(shù)可達14位,但實際分辨率受器件自身誤差和電路噪聲的影響很大。在數(shù)字通信、數(shù)字儀表、軟件無線電等領域中應用的高速ADC電路,在輸入信號低于1MHz時,實際分辨率可達10位,但隨輸入信號頻率的增加下降很快,不能滿足軍事領域的使用要求。

針對這一問題,本文主要研究在不采用過采樣、數(shù)字濾波和增益自動控制等技術條件下,如何提高高速高分辨率ADC電路的實際分辨率,使其最大限度地接近ADC器件自身的實際分辨率,即最大限度地提高ADC電路的信噪比。為此,本文首先從理論上分析了影響ADC信噪比的因素;然后從電路設計和器件選擇兩方面出發(fā),設計了高速高分辨率ADC電路。經(jīng)實測表明,當輸入信號頻率為0.96MHz時,該電路的實際分辨率為11.36位;當輸入信號頻率為14.71MHz日寸,該電路的實際分辨率為10.88位。

1 影響ADC信噪比因素的理論分析

ADC的實際分辨率是用有效位數(shù)ENOB標稱的。不考慮過采樣,當滿量程單頻理想正弦波輸入時,實際分辨率可用下式表示:

ENOB=[SINA0(dB)-1.76]/6.02 (1)

式中,SINAD表示ADC的信噪失真比,指ADC滿量程單頻理想正弦波輸入信號的有效值與ADC輸出信號的奈奎斯特帶寬內(nèi)的全部其它頻率分量(包括諧波分量,但不包括直流允量)的總有效值之比。

ADC的信噪比SNR,指ADC滿量程單頻理想正弦波輸入信號的有效值與ADC輸出信號的奈奎斯特帶寬內(nèi)的全部其它頻率分量(不包括直流分量和諧波分量)總有效值之比。

由此可知,當ADC的總諧波失真THD一定時,有效位數(shù)ENOB取決于SNR;ADC的SNR越高,其有效位數(shù)ENOB就越高。下面就來分析影響ADC信噪比SNR的因素。

理想ADC的噪聲由其固有的量化誤差(也稱為量化噪聲,如圖1所示)產(chǎn)生。但實際使用的ADC是非理想器件,它的實際轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線之間存在偏差,表現(xiàn)為多種誤差,如零點誤差、滿度誤差、增益誤差、積分非線性誤差INL、微分非線性誤差DNL等。其中,零點誤差、滿度誤差、增益誤差是恒定誤差,只影響ADC的絕對精度,不影響ADC的SNR。INL指的是在校準上述恒定誤差的基礎上,ADC實際轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線的最大偏差。而DNL指的是ADC實際量化間隔與理想量化間隔的最大偏差,改變ADC的量化誤差,能更直接地計算出ADC實際轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線的偏差對ADC的SNR的影響。

非理想ADC,除了上述誤差外,還有各種噪聲,如熱噪聲、孔徑抖動。前者是由半導體器件內(nèi)部分子熱運動產(chǎn)生的,后者是由ADC孔徑延時的不確定性造成的。而ADC的外圍電路同樣會帶來噪聲,如ADC輸入級電路的熱噪聲、電源/地線上的雜波、空間電磁波干擾、外接時鐘的不穩(wěn)定性(導致ADC各采樣時鐘沿出現(xiàn)時刻不確定,帶來孔徑抖動)等,可以把它們都等效為ADC的上述兩種內(nèi)部噪聲。

上述誤差和噪聲的存在,導致ADC的SNR下降。下面先給出理想ADC的SNR計算公式,然后具體分析微分非線性誤差DNL、孔徑抖動△tj和熱噪聲對ADC的SNR的影響。

1.1 理想ADC的SNR

理想ADC的量化誤差g(υ)與滿量程內(nèi)輸入信號的電壓V的關系如圖1所示。量化誤差為在[-q/2,q/2]內(nèi)均勻分布且峰-峰值等于q(q=1LSB,LSB表示理想ADC的最小量化間隔)的鋸齒波信號。

設N位ADC滿量程電壓為±1V,輸入信號為s(t)=sinωt,則輸入信號電壓有效值Vs=1/√2=2N/2√2×q,量化噪聲電壓有效值于是得ADC輸出信噪比為:

SNR=6.02N 1.76(dB) (2)

1.2 微分非線性誤差DNL

非理想ADC的量化間隔是非等寬的,這將導致ADC器件不能完全正確地把模擬信號轉(zhuǎn)化成相應的二進制碼,從而造成SNR的下降;且ADC每個量化的二進制碼所對應的量化間隔都不同,為便于分析,用ε(LSB)= εq表示實際量化間隔與理想量化間隔誤差的有效值,并近似認為由于DNL的影響,在無失碼條件(DNL

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