带宽问题
对转换器来说,输入信号带宽是一个问题。在采样理论中,我们知道高于奈奎斯特频率(ADC采样频率的一半)的频率信号应被移除,否则这些频率信号将在目标频带中产生镜像或混叠。通常,噪声频谱中有相当一部分功率存在于ADC奈奎斯特频率以上的频带中。如果不处理这种噪声,它将混叠到奈奎斯特频率以下,增加本底噪声(如图2所示),使系统的动态范围明显降低。
图2.奈奎斯特折叠镜像
ADC输入信号带宽,以及缓冲器输出带宽,是第一个要解决的问题。为确保噪声不会向下混叠,必须限制ADC输入信号的带宽。这不是一个小问题。
通常,放大器的选择是基于大信号带宽(即压摆率)和增益带宽积的规格,以便应对输入信号的极端情况,这决定了ADC可以跟踪的最快变化的信号。
然而,放大器的有效噪声带宽等于小信号带宽(通常针对小于10mV p-p的信号而考虑),这常常比大信号带宽高出至少四到五倍。
换句话说,如果大信号规格是针对500 kHz而选择,那么小信号带宽很容易就能达到2MHz或3MHz,这可能会导致ADC采集到大量噪声。因此,在将模拟信号输入ADC之前,应在外部限制小信号带宽,否则测得的噪声将是ADC数据手册规格的三到四倍。
图3.同相放大器配置
表1.放大器折合到输出端的噪声,RTO
记住,放大器产生的热噪声取决于放大器增益和总系统带宽。电路示例如图3所示,噪声源总结在表1中,其中:
T为温度(单位为K),
k为玻尔兹曼常数(1.38×10−23 J/K),
电阻值单位为Ω,
BW指小信号带宽。
以上公式表明,在ADC输入引脚之前增加一个具有足够衰减性能的低通滤波器以使采样噪声最小是很重要的,因为噪声与带宽的平方根成比例。通常,采用分立电阻和电容实现截止频率足够低的一阶低通滤波器可消除大部分宽带噪声。一阶低通滤波器还有一个额外的好处,即降低目标频带之外的任何其他较大信号的幅度,防止其被ADC采样而可能产生混叠。
但是,这还没完。ADC内部开关电阻和电容定义了模拟输入带宽,但由于输入信号的变化,会产生时域充放电循环。每次开关(连接到采样ADC电容的外部电路)闭合时,内部电容电压可能与先前储存在采样电容上的电压不同。