1.2.2 动态指标
衡量ADC与频率f相关的指标称为动态指标,其性能随着输入信号的频率变化(f/fS,fS为采样频率)而变化。通过输出数字量的频谱可以对ADC动态性能进行评价。图1-4为ADC输出频谱图。Input是输入信号分量,2~10次谐波分别标记在图中。频谱图除信号与谐波外其余部分均被认为是噪声。以下说明量化噪声的计算与相关的动态参数。
图1-4 ADC输出频谱图
如图1-5所示,如果ADC工作在模拟输入范围内,ADC具有幅度介于-0.5LSB~+0.5LSB的量化噪声。假设模拟输入幅度相对于Δ较大,但是仍在输入范围FS之内,且模拟信号频率与ADC转换频率不具有明显相关关系,可以认为ADC输出的量化噪声是如图1-5(b)所示的均匀分布在-0.5LSB~+0.5LSB内的白噪声,其能量为
式中,v为量化噪声电压;p(v)为量化噪声电压的概率分布函数。
图1-5 量化噪声概率分布图
(1)信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR):ADC能够输入的最大信号能量与噪声能量的比值。由于ADC固有的量化噪声,对于N位ADC的满幅输入信号FS为2NΔ,那么ADC所能达到的信噪比为
(2)信纳比(Signal-Noise-and-Distortion Ratio,SNDR):ADC输入信号能量与噪声能量、谐波能量的和之比。有时,SNDR也被记作SINAD。SNDR的值比SNR更低。
(3)有效分辨率带宽(Effective-Resolution Bandwidth,ERBW):随着输入信号频率的增高,ADC的SNR与SNDR逐渐下降。根据不同的定义,SNR或者SNDR下降3dB所对应的频率称为有效分辨率带宽。
(4)有效位数(Effective Number of Bits,ENOB):有效位数是根据ADC信纳比计算得到的,对于信纳比为SNDRdB的ADC,其ENOB为
(5)动态范围(Dynamic Range):ADC最大输入范围与最小可分辨信号之比。
(6)总谐波失真(Total Harmonics Distortion,THD):所有的谐波能量之和与基波能量的比值。谐波的次数越高,能量越小,高频谐波被淹没在噪声中,无法分辨。因此,一般只取可明显分辨的低次谐波能量之和作为总谐波能量。
(7)无杂散动态范围(Spur Free Dynamic Range,SFDR):信号能量与输出频谱中除信号外最大分量频率所对应的能量之比。
除了以上动态指标,还有交调失真(Intermodulation Distortion,IMD)、二阶交调失真(Two-tone Intermodulation Distortion,IMD2)、多音功率比(Multi-tone Power Ratio,MTPR)等其他指标。