ADC應(yīng)用工程師困惑：是ENOB還是有效分辨率？

您可能知道，有效位數(shù) (ENOB) 和有效分辨率都是與 ADC 分辨率有關(guān)的參數(shù)。理解它們的區(qū)別并確定哪個(gè)更具相關(guān)性，是令 ADC 用戶與應(yīng)用工程師等極為困惑的問(wèn)題，經(jīng)常因此發(fā)生爭(zhēng)論。

您認(rèn)為哪個(gè)更重要?

ADC 的分辨率位數(shù) (N) 可決定 ADC 的動(dòng)態(tài)范圍 (DR)，其代表 ADC 可測(cè)量的輸入信號(hào)等級(jí)范圍，通常以 [dB] 為單位。DR 可定義為：

請(qǐng)注意，由于信號(hào)在給定時(shí)間視窗內(nèi)的 RMS 幅值取決于信號(hào)幅值在該時(shí)間視窗內(nèi)如何變化，因此 ADC 的 DR 變化取決于輸入信號(hào)特征。對(duì)于其滿量程范圍 (FSR) 內(nèi)的恒定 DC 輸入而言，理想的 N 位 ADC 可分別測(cè)量 FSR 和 FSR/2N 的最大及最小 RMS 幅值。因此，ADC 的 DR 為：

同理，對(duì)于幅值隨 ADC FSR 變化而變化的正弦波信號(hào)輸入而言，理想的 N 位 ADC 可測(cè)量 (FSR/2)/√2 的最大 RMS 幅值。正弦波輸入信號(hào)的最小可測(cè)量 RMS 幅值受量化誤差的限制，其近似于幅值為半個(gè) LSB 或 FSR/2N+1 的鋸齒波。幅值 A 的鋸齒波 RMS 幅值為 A/√3。因此，正弦波輸入信號(hào)的理想 ADC 的 DR 是：

真正的 ADC 具有可降低 DR 的誤差。事實(shí)上，根據(jù)輸入信號(hào)特征的不同，在輸入信號(hào)接近其最小值時(shí)，ADC 輸出有不同類型的誤差占主導(dǎo)地位。

對(duì)于恒定 DC 輸入而言，ADC 的輸出誤差主要取決于所謂的“過(guò)渡”噪聲，其包含 ADC、ADC 驅(qū)動(dòng)器以及電源等組件的固有寬帶散熱噪聲。如果 ADC 不存在較大的線性 (DNL) 問(wèn)題，過(guò)渡噪聲可在 ADC 輸出端產(chǎn)生一個(gè)近似高斯代碼分布。

圖 1：恒定 DC 輸入的 ADC 輸出代碼直方圖

本直方圖的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差 (σHISTO) 相當(dāng)于過(guò)渡噪聲的 RMS 值。在 σHISTO > 1 LSB 時(shí)，ADC 的 DC DR 就會(huì)減小至：

將 (2) 和 (4) 組合起來(lái)，可重新計(jì)算出降低的分辨率或有效分辨率：

同理，對(duì)于時(shí)間變化的輸入而言，ADC 的輸出包含動(dòng)態(tài)誤差(即量化噪聲與失真)以及可降低 DR 的過(guò)渡噪聲。改變后的 DR 通常被稱為 SINAD，重新計(jì)算的 ADC 分辨率被稱為 ENOB。因此：

總之，給定 ADC 可能具有不同的 DR 和分辨率，主要取決于輸入是 AC 還是 DC 信號(hào)。因此，ADC 分辨率有單獨(dú)的衡量指標(biāo)，其對(duì)應(yīng)于不同的輸入條件，即 ENOB 對(duì)應(yīng)于 AC 輸入，有效分辨率對(duì)應(yīng)于 DC 輸入。確定哪種更適合自然取決于您的應(yīng)用。