浅谈容易被忽视的九项ADC技术指标

　　模数转换器（ADC）的种类繁多，模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。

　　模数转换器重要的参数是转换的，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。 　　A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。一般来说，AD比DA贵，尤其是高速的AD，因为在某些特殊场合，如导弹的摄像头部分要求有高速的转换能力。一般那样AD要上千美元。还有通过AD的并联可以提高AD的转换效率，多个AD同时处理数据，能满足处理器的数字信号需求了。

　　分辨率，可能是易被误解的技术指标，它表示输出位数，但不提供性能数据。部分数据手册会列出有效位数（ENOB），它使用实际SNR测量来计算转换器的有效性。一种更加有用的转换器性能指标是噪声频谱密度（NSD），单位为dBm/Hz或。NSD可以通过已知的采样速率、输入范围、SNR和输入阻抗计算得出（dBm/Hz）。

　　电源抑制（PSR），测量电源纹波如何与ADC输入耦合，显现在其数字输出上。如果PSR有限，相对于输入电平，电源线上的噪声将仅会受到30至50 dB的抑制。

　　一般而言，电源上的无用信号与转换器的输入范围相关。例如，如果电源上的噪声是20mV rms ，而转换器输入范围是0.7Vrms，则输入上的噪声是-31dBFS。如果转换器的PSR为30dB，则相干噪声会在输出中显现为一条-61dBFS谱线。在确定电源将需要多少滤波和去耦时，PSR尤其有用，PSR在医疗应用或工业应用等高噪声环境中非常重要。

　　图1：电源纹波抑制比（PSRR）vs.频率。

　　共模抑制（CMR），测量共模信号存在时所引起的差模信号。许多ADC采用差分输入来实现对共模信号的高抗扰度，因为差分输入结构本身能抑制偶数阶失真产物。

　　与PSR一样，电源纹波、接地层上产生的高功率信号、混频器和RF滤波器的RF泄漏以及能够产生高电场和磁场的应用会引入共模信号，虽然许多转换器未规定CMR，但他们通常具有50至80dB的CMR。

　　时钟相关技术指标，尽管比较重要，但并不总是做出规定，而且可能难以确定。

　　图2：输入时钟与采样噪声的关系。

　　时钟压摆率，实现额定性能所需的压摆率。多数转换器在时钟缓冲器上有足够的增益，以确保采样时刻界定明确，但如果压摆率过低使得采样时刻很不确定，将产生过量噪声。如果规定输入压摆率，用户应满足该要求，以确保额定噪声性能。

　　孔径抖动，ADC的内部时钟不确定性。ADC的噪声性能受内部和外部时钟抖动限制。

　　在典型的数据手册中，孔径抖动仅限转换器。外部孔径抖动以均方根方式与内部孔径抖动相加。对于低频应用，抖动可能并不重要，但随着模拟频率的增加，由抖动引起的噪声问题变得越来越明显。如果不使用充足的时钟，性能将比预期要差。

　　除由于时钟抖动而增加的噪声以外，时钟信号中与时钟不存在谐波关系的谱线也将显现为数字化输出的失真。因此，时钟信号应具有尽可能高的频谱纯度。

　　孔径延迟，采样信号的应用与实际进行输入信号采样的时刻之间的时间延迟。此时间通常为纳秒或更小，可能为正、为负或甚至为零。除非知道的采样时刻非常重要，否则孔径延迟并不重要。

　　转换时间和转换延迟，这是两个密切相关的技术指标。转换时间一般适用于逐次逼近型转换器（SAR），这类转换器使用高时钟速率处理输入信号，输入信号出现在输出上的时间明显晚于转换命令，但早于下一个转换命令。

　　转换延迟通常适用于流水线式转换器。作为测量用于产生数字输出的流水线（内部数字级）数目的技术指标，转换延迟通常用流水线延迟来规定。通过将此数目乘以应用中使用的采样周期，可计算实际转换时间。

　　唤醒时间，为了降低功耗敏感型应用的功耗，器件通常在相对不用期间关断，这样做确实可以节省大量功耗，但器件重新启动时，内部基准电压源的稳定以及内部时钟的功能恢复都需要一定的时间，此时转换的数据将不满足技术指标。

　　在高性能应用中，重要的是，将输出负载降至，并提供适当的去耦和优化布局，以尽可能降低电源上的压降。为了避免此类问题发生，许多转换器都提供LVDS输出。LVDS具有对称性，因此可以降低开关电流并提高总体性能。如果可以，应该使用LVDS输出以确保性能。

　　未规定标准，一个至关重要的未规定项目是PCB布局。虽然可规定内容的不多，但它会显着影响转换器的性能。例如，如果应用未能采用充足的去耦电容，就会存在过多的电源噪声。由于PSR有限，电源上的噪声会耦合到模拟输入中，并破坏数字输出频谱，如图4所示。

　　图4a. 电容与性能 图4b. 有限电容与性能

　　模数转换过程包括量化和编码。量化是将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级。编码是对每一量级分配的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。普通的码制是二进制，它有2n个量级（n为位数），可依次逐个编号。模数转换的方法很多，从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。 直接法是直接将电压转换成数字量。它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡（见图）。控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。