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ADI-模数转换器指南
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更新于2023-03-16
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ADI 技术指南合集,第一版,模数转换器:ADC 噪声系数——一个经常被误解的参数
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ADI 技术指南合集
第一版
模数转换器
ADC 噪声系数——一个经常被误解的参数 ............................. 1
ADC 架构 I:Flash 转换器 .......................................................... 10
ADC 架构 II:逐次逼近型 ADC ................................................25
ADC 架构 III: ∑ - 型 ADC 基础 ...............................................39
ADC 架构 IV:
Σ
-
Δ
型 ADC 高级概念和应用 ........................51
ADC 架构 V:流水线式分级 ADC ...........................................61
ADC 架构 VII:计数 ADC ..........................................................76
ADC 架构 VIII:积分 ADC ........................................................81
ADC 输入噪声面面观——噪声是利还是弊? .......................85
ADC 需要考虑的交调失真因素 ................................................ 97
DC 架构 VI:折叠型 ADC ........................................................ 103
FPGA 与 ADC 数字数据输出的接口 ......................................115
了解 SINAD、ENOB、SNR、THD、THD + N、SFDR,
不在噪底中迷失 ........................................................................... 127
光学编码器 ....................................................................................135
目录
奈奎斯特准则对数据采样系统设计有何意义 ......................137
孔径时间、孔径抖动、孔径延迟时间——正本清源 .........149
将振荡器相位噪声转换为时间抖动 ........................................ 157
找出那些难以琢磨、稍纵即逝的 ADC 闪码和亚稳状态 ..167
" 揭开一个公式(SNR = 6.02N + 1.76dB) 的神秘面纱,
以及为什么我们要予以关注 " ..................................................177
数据转换器代码——您能解译这些代码吗? ......................184
数据转换器静态特性的
重要性——千万别忽视基本特性! ........................................ 195
旋变数字转换器 ........................................................................... 204
电压频率转换器 ........................................................................... 209
运行典型高速 ADC 评估板设置 .............................................. 216
量化噪声:公式 SNR = 6.02 N + 1.76 dB 的扩展推导 ......... 224
降低 ADC 时钟接口抖动 ...........................................................228
高速 ADC 模拟输入接口考虑 ..................................................236
1
作者:Walt Kester
ADC噪声系数 —— 一个经常被误解的参数
指南
Rev.A, 10/08, WK Page 1 of 9
MT-006
简介
噪声系数(NF)是RF系统设计师常用的一个参数,它用于表征RF放大器、混频器等器件的
噪声,并且被广泛用作无线电接收机设计的一个工具。许多优秀的通信和接收机设计教材
都对噪声系数进行了详细的说明(例如参考文献1),本文重点讨论该参数在数据转换器中
的应用。
现在,RF应用中会用到许多宽带运算放大器和ADC,这些器件的噪声系数因而变得重要
起来。参考文献2讨论了确定运算放大器噪声系数的适用方法。我们不仅必须知道运算放
大器的电压和电流噪声,而且应当知道确切的电路条件:闭环增益、增益设置电阻值、源
电阻、带宽等。计算ADC的噪声系数则更具挑战性,大家很快就会明白此言不虚。
当RF工程师首次计算哪怕是最好的低噪声高速ADC的噪声系数时,结果也可能相对高于
典型RF增益模块、低噪声放大器等器件的噪声系数。为了正确解读结果,需要了解ADC
在信号链中的位置。因此,当处理ADC的噪声系数时,务必小心谨慎。
ADC噪声系数定义
图1显示了用于定义ADC噪声系数的基本模型。噪声因数F指的是ADC的总有效输入噪声
功率与源电阻单独引起的噪声功率之比。
由于阻抗匹配,因此可以用电压噪声的平方来代替噪声功率。噪声系数NF是用dB表示的
噪声因数,NF = 10log10F。
2
MT-006
B = Filter
Noise Bandwidth
RR *
ADC
P
FS(dBm)
f
s
B
FILTER
*May be external
N
NOISE FACTOR (F) =
NOISE FIGURE (NF) =
(TOTAL EFFECTIVE INPUT NOISE)
2
10log
10
(TOTAL INPUT NOISE DUE TO SOURCE R)
2
Note: Noise Must be Measured Over the Filter Noise Bandwidth, B
SOURCE
(TOTAL EFFECTIVE INPUT NOISE)
2
(TOTAL INPUT NOISE DUE TO SOURCE R)
2
v(t) = V
O
sin 2πft
该正弦波的满量程功率为:
2R
V
R
(V / 2)
P
2
O
2
O
FS
==
Page 2 of 9
图1:ADC的噪声系数:小心为妙!
该模型假设ADC的输入来自一个电阻为R的信号源,输入带宽以f
s
/2为限,输入端有一个噪
声带宽为f
s
/2的滤波器。还可以进一步限制输入信号的带宽,产生过采样和处理增益,稍
后将讨论这种情况。
该模型还假设ADC的输入阻抗等于源电阻。许多ADC具有高输入阻抗,因此该端接电阻
可能位于ADC外部,或者与内部电阻并联使用,产生值为R的等效端接电阻。
ADC噪声系数推导过程
满量程输入功率是指峰峰值幅度恰好填满ADC输入范围的正弦波的功率。下式给出的满量
程输入正弦波具有2V
O
的峰峰值幅度,对应于ADC的峰峰值输入范围:
等式1
等式2
3
MT-006
通常将此功率表示为dBm(以1 mW为基准):
][
=
1 Wm
P
01 golP
FS
10SF ( mBd )
.
NUMBER OF POLES
1
2
3
4
5
NOISE BW : 3dB BW
1.57
1.11
1.05
1.03
1.02
][
=
RMSNOISE
SF SMR
10
V
V
02 golSNR
求解V
NOISE RMS
:
RNS / 02
SF SMRRMSNOISE
10VV
−
⋅=
Page 3 of 9
对滤波器的噪声带宽B需要加以进一步的讨论。非理想砖墙滤波器的噪声带宽指的是让相
同的噪声功率通过时,理想砖墙滤波器所需的带宽。因此,一个滤波器的噪声带宽始终大
于其3 dB带宽,二者之比取决于滤波器截止区的锐度。图2显示了最多5极点的巴特沃兹滤
波器的噪声带宽与3 dB带宽的关系。注意:对于2极点,噪声带宽与3 dB带宽相差11%;超
过2极点后,二者基本相等。
NF计算的第一步是根据ADC的SNR计算其有效输入噪声。ADC数据手册给出了不同输入
频率下的SNR,确保使用与目标IF输入频率相对应的值。此外还应确保SNR数值中不包括
基波信号的谐波,有些ADC数据手册可能将SINAD与SNR混为一谈。知道SNR后,就可以
从下式开始计算等效输入均方根电压噪声:
等式3
等式4
等式4
图2:巴特沃兹滤波器的噪声带宽与3dB带宽的关系
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Dennistian7966
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