ADC 將現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)(如聲音、溫度、壓力和光)轉(zhuǎn)換為可在數(shù)字域中處理的數(shù)字信號(hào)。

模擬設(shè)計(jì)工程師喜歡說(shuō)“世界是模擬的”，但今天大多數(shù)信號(hào)處理都是由數(shù)字計(jì)算機(jī)完成的——模擬計(jì)算機(jī)的時(shí)代早已結(jié)束。本文概述了 ADC，并就如何成功應(yīng)用它們提出了建議。

ADC在如此多的應(yīng)用中被發(fā)現(xiàn)，它們幾乎是一種商品。從歷史上看，轉(zhuǎn)換器是需要專門(mén)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)和制造的組件，因此產(chǎn)生了昂貴的解決方案，例如 12 位/500kHz ADC 在 1975 年的售價(jià)約為 270 美元。

多年來(lái)，現(xiàn)代轉(zhuǎn)換器的價(jià)格有所下降，利用了與數(shù)字芯片相同的技術(shù)進(jìn)步。同樣的12位/500kHz的功能今天的價(jià)格不到1美元。adc通常用于通信、儀器和測(cè)量以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它們可以促進(jìn)DSP、信息存儲(chǔ)或兩者都有。

ADC功能通常與同一芯片上的數(shù)字電路一起集成，但也有一些應(yīng)用中，性能要求要求必須使用獨(dú)立的ADC。手機(jī)電話是一個(gè)例子，ADC功能已經(jīng)集成到數(shù)字芯片，而蜂窩基站(有較高的要求)依賴于獨(dú)立的ADC，這可以提供最終的性能。

ADC包含以下內(nèi)容：

模擬輸入(s)-提供單通道和多個(gè)通道。

參考輸入-該電壓可以在外部提供，也可以在ADC內(nèi)部提供。

時(shí)鐘輸入-它通常是外部的，并決定了ADC的版本率。

電源輸入(s)-通常，都有模擬和數(shù)字電源引腳。

數(shù)字輸出-ADCs可以具有并行或串行的數(shù)字輸出。雖然adc看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但必須正確應(yīng)用以達(dá)到最佳性能。adc表現(xiàn)出一些相同的性能限制，如簡(jiǎn)單的模擬放大器-有限增益，偏移電壓，共模輸入電壓限制和諧波失真是其中的一些。

ADC的采樣特性引入了時(shí)鐘抖動(dòng)和混疊的附加考慮。這些通用指南將幫助您在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)ADC的完整性能。

保持清潔

必須注意盡可能保持ADCas的模擬信號(hào)清潔。“垃圾輸入”通常會(huì)導(dǎo)致“數(shù)字化垃圾輸出”。模擬信號(hào)路徑應(yīng)遠(yuǎn)離任何可能與模擬路徑耦合的快速切換數(shù)字信號(hào)線。雖然圖中顯示了一個(gè)單端模擬輸入，但微分模擬輸入在高性能adc中已經(jīng)變得更加常見(jiàn)。驅(qū)動(dòng)ADC差異提供更大的共模噪聲抑制，通常允許更好的交流性能，因?yàn)楦〉男酒闲盘?hào)波動(dòng)。

差分器驅(qū)動(dòng)通常使用差分器放大器或變壓器來(lái)完成。變壓器通常比放大器提供更好的性能，因?yàn)橛性捶糯笃魇且粋€(gè)額外的噪聲源，這將影響整體性能。

然而，當(dāng)你需要用直流信息來(lái)處理信號(hào)時(shí)，變壓器并不是一個(gè)可行的解決方案，因?yàn)樗鼈兙哂泄逃械闹绷髯枞匦浴?

在設(shè)計(jì)預(yù)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須考慮驅(qū)動(dòng)放大器的噪聲和線性性能。請(qǐng)注意，盡管高性能adc通常具有非常高的輸入帶寬，直接在ADC的輸入引腳處過(guò)濾可以減少被混疊到基帶的寬帶噪聲。參考輸入應(yīng)被視為另一個(gè)模擬輸入，并盡可能保持清潔。參考電壓(V ref)上的任何噪聲都與模擬信號(hào)上的噪聲難以區(qū)分。通常，ADC數(shù)據(jù)表指定了所需的解耦電容器。這些封蓋應(yīng)放置在盡可能靠近ADC的地方。PCB設(shè)計(jì)者有時(shí)會(huì)將解耦電容器放在PCB的背面，以節(jié)省電路板的空間。如果可能的話，應(yīng)該避免這樣，因?yàn)橥椎碾姼薪档土穗娙萜髟诟哳l的效果。Vref通常設(shè)置ADC的全尺度范圍，因此降低Vref電壓的值可以降低ADC的最東部顯著位(LSB)值，使ADC對(duì)系統(tǒng)中的噪聲更加敏感。一個(gè)1V全尺寸10位ADC的LSBvalue等于1V/210=~1 mV。

噪聲源

根據(jù)應(yīng)用程序的不同，數(shù)字時(shí)鐘輸入可能只是與模擬輸入一樣關(guān)鍵的。在ADC中有兩個(gè)主要的噪聲源：一個(gè)是由于輸入信號(hào)的量化(與ADC中的位數(shù)成比例)，另一個(gè)是由于時(shí)鐘抖動(dòng)(在錯(cuò)誤的時(shí)間采樣輸入)。根據(jù)公式限制量化噪聲在過(guò)采樣ADC應(yīng)用中的最大可能信噪比：

SNR = 6.02N + 1.76dB,

其中，N是比特?cái)?shù)。直觀地說(shuō)，這是有意義的——每次你添加一點(diǎn)，你就可以將ADC代碼的總數(shù)增加一倍，并將量化的不確定性減少到一半(6個(gè)dB)。

因此，一個(gè)10位的ADC理論上能夠提供61.96 dB的信噪比。采樣時(shí)鐘上的任何抖動(dòng)都根據(jù)以下公式進(jìn)一步減少了這一點(diǎn)，其中，信噪比j為受抖動(dòng)限制的信噪比，fa為模擬輸入頻率，tj為均方根時(shí)鐘抖動(dòng)。

一個(gè)抖動(dòng)等于8皮秒(ps)的采樣時(shí)鐘將70MHz模擬信號(hào)數(shù)字化，可產(chǎn)生約49 dB的抖動(dòng)限制信噪比，有效地將10位ADC的有效性降低到約8位。時(shí)鐘抖動(dòng)必須為< 2ps，才能達(dá)到相當(dāng)于10位的信噪比。

對(duì)信噪比還有許多其他的二階貢獻(xiàn)者，但給予方程是一個(gè)很好的一階近似。差分鐘通常用于減少抖動(dòng)。大多數(shù)adc都有單獨(dú)的電源供應(yīng)設(shè)備：一個(gè)用于模擬電路，另一個(gè)用于數(shù)字電路。

建議使用盡可能靠近adc的適當(dāng)?shù)慕怦铍娙萜?。盡量減少使用PCB通孔和從ADC電源引腳到解耦電容器的軌跡長(zhǎng)度。這是為了保持ADC和電容器之間的電感到最小。與參考電壓解耦一樣，板設(shè)計(jì)人員有時(shí)會(huì)在解耦電容器放置在芯片的背面，以節(jié)省板空間。由于同樣的原因，應(yīng)該避免這樣做。

ADC的數(shù)據(jù)表通常顯示推薦的解耦方案。用于供電電壓和接地電壓的專用PCB平面通常必須達(dá)到規(guī)定的性能。

一個(gè)ADC的開(kāi)關(guān)數(shù)字輸出可以產(chǎn)生噪聲瞬態(tài)，可以耦合回ADC的敏感模擬部分，導(dǎo)致錯(cuò)誤。

通過(guò)最小化輸出跟蹤長(zhǎng)度來(lái)減少ADC驅(qū)動(dòng)的電容負(fù)載可以在這里有所幫助。將串聯(lián)電阻放置在ADC輸出處以減少輸出電流峰值也是有幫助的。此外，ADC的數(shù)據(jù)表通常也有一個(gè)建議。