關鍵詞： Δ-Σ , ADC , 模數轉換 , ADS1261

作者：Bryan Lizon

任何高分辨率信號鏈設計的基本挑戰之一是確保系統本底噪聲足夠低，以便模數轉換器（ADC）能夠分辨您感興趣的信號。例如，如果您選擇德州儀器ADS1261（一個24位低噪聲Δ-ΣADC），您可在2.5 SPS下解析輸入低至6 nVRMS，增益為128 V / V的信號。

但是，從系統的角度來看，您需要擔心的不僅僅是ADC噪聲——畢竟所有組件（包括放大器、電壓基準、時鐘和電源）都會產生一些噪聲——這些器件對系統噪聲的累積影響是什么？更重要的是，您的系統能夠解決您感興趣的信號嗎？

為助您更好地理解系統噪聲并將這些知識應用到您的設計中，我最近撰寫了一篇名為“解決信號”的技術文章系列。該系列探討了典型信號鏈中的常見噪聲源，并通過降低噪聲和保持高精度測量的方法輔助理解。

以下是該系列中10個最關鍵的問題和答案，可幫助您開始使用精密ADC進行設計。

1.您將在ADC中發現何種類型的噪聲？

總ADC噪聲有兩個主要組成部分：量化噪聲和熱噪聲。量化噪聲來自將無限數量的模擬電壓映射到有限數量的數字代碼的過程（圖1左側）。因此，任何單個數字輸出都可對應于數個模擬輸入電壓，這些電壓可能相差一半的最低有效位（LSB）。

由于電導體內電荷的物理移動（圖1右側），熱噪聲是所有電子元件中固有的現象。不幸的是，ADC終端用戶不能干涉器件的熱噪聲，因為它是ADC設計的一個功能。

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圖 1：量化噪聲（左）和熱噪聲（右）

熱噪聲和量化噪聲是否同樣影響低分辨率和高分辨率ADC？閱讀第1部分“Δ-Σ ADC中的噪聲簡介了解相關信息”。

2.如何測量和指定ADC噪聲？

ADC制造商使用兩種方法來測量ADC噪聲。第一種方法將ADC的輸入短接在一起，以測量由于熱噪聲導致的輸出代碼的微小變化。第二種方法涉及輸入具有特定幅度和頻率的正弦波（例如1kHz下為1 VPP）并報告ADC如何量化正弦波。圖2展示了這些類型的噪聲測量。

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圖 2：正弦波輸入測試設置（左）和輸入短路測試設置（右）

每類ADC使用哪種測量方法？請閱讀第2部分中有關噪聲測量方法和規范的更多信息。

3.用于系統噪聲分析的最佳噪聲參數是多少？

對于ADC噪聲分析，我建議使用輸入參考噪聲。我加粗此短語，因為使用輸入參考噪聲來定義ADC性能并不常見。實際上，大多數工程師只談論相關參數，例如有效和無噪聲的分辨率，而當他們無法最大化這些值時會深感擔憂。畢竟，如果您只是使用24位ADC來實現16位ADC的有效分辨率，感覺就像您在為實際不會使用的ADC性能而買單。

但是，16位ADC的有效分辨率并不一定能告知您ADC將使用多大的滿量程范圍（FSR）。也就是說，您可能只需要16位有效分辨率，但如果最小輸入信號為50 nV，則無法使用16位ADC來解決問題。因此，高分辨率Δ-ΣADC的真正好處是它能夠提供的低輸入參考噪聲水平。這并不意味著有效的解決方案并不重要 - 只是它不是參數化系統的最佳方式。

第3部分使用無噪聲分辨率和輸入參考噪聲定義系統噪聲參數的設計實例進一步采用這些要求。哪一種能夠實現最快、適應性最強的解決方案？閱讀文章發現答案。

4.什么是ENBW，為什么它很重要？

在一般信號處理術語中，濾波器的有效噪聲帶寬（ENBW）是理想的實際濾波器的截止頻率fC，其噪聲功率近似等于原始濾波器的噪聲功率H(f)。

作為類比，您可考慮一下在寒冷的夜晚您家中的情況。為降低能源成本并節省資金，您需要盡可能地關閉門窗以限制進入的冷空氣量。在這種情況下，您的家是系統，您的門窗是濾波器，冷空氣是噪聲，ENBW是衡量您的門窗是如何打開（或關閉）的。間隙越大（ENBW），進入家中（系統）的冷空氣（噪聲）越多，反之亦然，如圖3所示。

  

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