在ADC中,噪声系数(NF)和信噪比(SNR)是可以互换的。噪声系数对了解噪声密度十分有用,而信噪比衡量的则是目标频段中的噪声总量。尽管如此,我们来深入地了解一下噪声系数。有些折衷具有误导性,低噪声系数并不总是可以降低转换器中的前端噪声。
在尝试了解级联信号链的动态机制时,噪声系数用起来是十分方便的。当源电阻增加4倍时,噪声系数将提高6 dB,但是,增加的电阻同时会增加转换器中的约翰逊噪声。源电阻较高或者超过模拟前端(变压器或放大器)上满量程输入信号的一半时,目标频段中的噪声将变得难以控制,最终导致转换器性能下降。
为何如此?如果调低满量程输入,必须调高增益。在理论上,这样做看起来没什么问题,但是,变压器对增益带宽的依赖性比放大器高,因此,用高增益变压器优化噪声系数的做法会增加实现100 MHz以上的常见高中频应用的难度。
放大器也存在类似的问题:随着增益的提高,信号和放大器噪声都会增加,结果会降低转换器的性能。要维持性能不变,就需要采用基于高损耗阻性元件的高阶抗混叠滤波器。
在设计转换器前端时,一定要考虑噪声频谱密度(NSD)。噪声频谱密度通常以nV/√Hz为单位,对转换器具有十分重要的意义,因为要在数字域中对噪声频谱密度进行处理,以便区分并最终挑出频段中的目标信号。
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图1.AD9625前端设计示例。
总之,要把增益放在适当的位置,确保整个信号链中的输入和输出满量程信号均实现最大化。在任何信号链中,衰减、填充位或电阻都不是良性的噪声系数折衷考虑因素,因为结果会浪费功耗,而且电阻还会增加噪声。
噪声系数 = Pf– SNR – 10 log BW + 174 dBm,其中,Pf为输入网络的满量程功耗,SNR为输入网络的实测信噪比,BW为输入网络的–3 dB带宽,174 dBm为热噪底;热噪底 = kTBW,其中,k为1.38 ×10–23,室温下,T为300K。
参考文献
Kester,Walt,模数转换,ADI公司,2004.ISBN 0-916550-27-3.
MT-006:ADC噪声系数——一个经常被误解的技术参数
MT-052:运算放大器噪声系数:不要被误导
Brannon,Brad.分析ADC噪声对无线系统性能的影响,EE Times. 2003
Rob Reeder 是ADI公司(美国北卡罗来纳州格林斯博罗)的高级系统应用工程师,发表了大量有关各种应用的转换器接口、转换器测试和模拟信号链设计的论文。Rob拥有美国北伊利诺斯州大学的电气工程学士学位和硕士学位。