ADC信噪比的分析及高速高分辨率ADC电路实现

在雷达、导航等军事领域中，由于信号带宽宽(有时可能高于10MHz)，要求ADC的采样率高于30MSPS，分辨率大于10位。目前高速高分辨率ADC器件在采样率高于10MSPS时，量化位数可达14位，但实际分辨率受器件自身误差和电路噪声的影响很大。在数字通信、数字仪表、软件无线电等领域中应用的高速ADC电路，在输入信号低于1MHz时，实际分辨率可达10位，但随输入信号频率的增加下降很快，不能满足军事领域的使用要求。

针对这一问题，本文主要研究在不采用过采样、数字滤波和增益自动控制等技术条件下，如何提高高速高分辨率ADC电路的实际分辨率，使其最大限度地接近ADC器件自身的实际分辨率，即最大限度地提高ADC电路的信噪比。为此，本文首先从理论上分析了影响ADC信噪比的因素；然后从电路设计和器件选择两方面出发，设计了高速高分辨率ADC电路。经实测表明，当输入信号频率为0．96MHz时，该电路的实际分辨率为11．36位；当输入信号频率为14．71MHz日寸，该电路的实际分辨率为10．88位。

1 影响ADC信噪比因素的理论分析

ADC的实际分辨率是用有效位数ENOB标称的。不考虑过采样，当满量程单频理想正弦波输入时，实际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满量程单频理想正弦波输入信号的有效值与ADC输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率分量(包括谐波分量，但不包括直流允量)的总有效值之比。

ADC的信噪比SNR，指ADC满量程单频理想正弦波输入信号的有效值与ADC输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率分量(不包括直流分量和谐波分量)总有效值之比。

由此可知，当ADC的总谐波失真THD一定时，有效位数ENOB取决于SNR；ADC的SNR越高，其有效位数ENOB就越高。下面就来分析影响ADC信噪比SNR的因素。

理想ADC的噪声由其固有的量化误差(也称为量化噪声，如图1所示)产生。但实际使用的ADC是非理想器件，它的实际转换曲线与理想转换曲线之间存在偏差，表现为多种误差，如零点误差、满度误差、增益误差、积分非线性误差INL、微分非线性误差DNL等。其中，零点误差、满度误差、增益误差是恒定误差，只影响ADC的绝对精度，不影响ADC的SNR。INL指的是在校准上述恒定误差的基础上，ADC实际转换曲线与理想转换曲线的最大偏差。而DNL指的是ADC实际量化间隔与理想量化间隔的最大偏差，改变ADC的量化误差，能更直接地计算出ADC实际转换曲线与理想转换曲线的偏差对ADC的SNR的影响。



非理想ADC，除了上述误差外，还有各种噪声，如热噪声、孔径抖动。前者是由半导体器件内部分子热运动产生的，后者是由ADC孔径延时的不确定性造成的。而ADC的外围电路同样会带来噪声，如ADC输入级电路的热噪声、电源／地线上的杂波、空间电磁波干扰、外接时钟的不稳定性(导致ADC各采样时钟沿出现时刻不确定，带来孔径抖动)等，可以把它们都等效为ADC的上述两种内部噪声。

上述误差和噪声的存在，导致ADC的SNR下降。下面先给出理想ADC的SNR计算公式，然后具体分析微分非线性误差DNL、孔径抖动△tj和热噪声对ADC的SNR的影响。

1．1 理想ADC的SNR

理想ADC的量化误差g(υ)与满量程内输入信号的电压V的关系如图1所示。量化误差为在[-q/2，q/2]内均匀分布且峰-峰值等于q(q=1LSB，LSB表示理想ADC的最小量化间隔)的锯齿波信号。

设N位ADC满量程电压为±1V，输入信号为s(t)=sinωt，则输入信号电压有效值Vs=1/√2=2N/2√2×q，量化噪声电压有效值于是得ADC输出信噪比为

SNR=6．02N+1．76(dB)

1．2 微分非线性误差DNL

非理想ADC的量化间隔是非等宽的，这将导致ADC器件不能完全正确地把模拟信号转化成相应的二进制码，从而造成SNR的下降；且ADC每个量化的二进制码所对应的量化间隔都不同，为便于分析，用ε(LSB)= εq表示实际量化间隔与理想量化间隔误差的有效值，并近似认为由于DNL的影响，在无失码条件(DNL<1LSB)下，量化误差均匀分布在[-上q+εq/2，q+εq/2]和[-q－εq/2，q－εq/2]内。如图1 中实线所示（虚线伪理想ADC量化误差）。这样，在考虑了DNL之后的ADC量化噪声电压Vq_DNL为：



1．3 孔径抖动△tj

孔径时间又称孔径延迟时间，是指对ADC发出采样命令(采样时钟边沿)时刻与实际开始采样时刻之间的时间间隔。相邻两次采样的孔径时间的偏差称为孔径抖动，记作△tj。孔径抖动造成了信号的非均匀采样，引起了误差，设ADC满量程电压为±1V输入信号为s(t)=sinωt，孔径抖动有效值为σ△tj，则由孔径抖动带来的误差电压为：



1．4 热噪声

这里将ADC电路中微分非线性误差DNL、孔径抖动△tj外的其它噪声都等效为ADC输入端的热噪声电压Vtn，设其有效值为σtn。

1．5 非理想ADC的SNR

一般情况下，量化噪声、微分非线性误差DNL、孔径抖动△tj和热噪声彼此相互独立，综合芍虑这四个因素的影响，可得到ADC的SNR计算公式如卡：



式中，N--ADC的量化位数

ε--ADC的实际量化间隔与理想量化间隔误差的有效值，单位LSB
fin--ADC输入信号频率，单位Hz
σ△tj--ADC的孑L径抖动有效值，单位s
σtn--等效到ADC输入端的热噪声的有效值单位LSB

对于高分辨率ADC器件，其固有量化误差、微分非线性误差DNL和器件热噪声均较小。当fin较高时，ADC电路的SNR主要取决于孔径抖动，此时有



2 基于AD6644AST一65的高速高分辨率ADC电路设计实例

电路设计目标：有效位数ENOB≥10．50bit、采样率为40MSPS、输入信号频率小于15MHz，输入信号幅度为-ldBFs。该指标能满足数字仪表、高速数据采集卡、软件无线电和雷达、导航等领域中数字波束形成的要求。

2．1 电路设计与器件选择

本电路主要由模／数转换器ADC、输入电路、输出屯路、时钟电路和电源电路组成，如图2所示。