通常很難找到與模擬輸入范圍一致，但又具有適當(dāng)輸入數(shù)量、所需尺寸和正確采樣速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。特別是對于處理寬電壓擺幅的系統(tǒng)設(shè)計人員來說，人們擔(dān)心縮小輸入信號以驅(qū)動ADC的滿量程范圍會顯著降低信噪比（SNR）。本應(yīng)用筆記討論了影響這種SNR損耗的因素，如何量化，更重要的是，如何將其最小化。

使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行設(shè)計時，一個典型的誤解是，縮小輸入信號以驅(qū)動ADC的滿量程范圍會顯著降低信噪比（SNR）。對于使用寬電壓擺幅的系統(tǒng)設(shè)計人員來說，這一點(diǎn)尤其值得關(guān)注。使問題更加復(fù)雜的是，與高壓電源相比，用于低壓電源（5V或更低）的ADC產(chǎn)品范圍也廣泛得多。更高的電源通常會導(dǎo)致更高的功耗和電路板復(fù)雜性，例如需要更多的去耦電容。本應(yīng)用筆記討論了影響縮放引入的SNR損耗的因素，如何量化，更重要的是，如何將其最小化。

來自傳感器或系統(tǒng)的許多信號是高壓和雙極性的;例如±10V被廣泛使用。但是，有一些簡單的方法可以通過ADC驅(qū)動該信號，并且可以使用集成的高壓ADC解決方案來處理如此大的滿量程輸入而不會損失SNR。這些解決方案通常需要額外的高壓電源來適應(yīng)輸入范圍并消耗相當(dāng)大的功率（圖 1）。這些高壓ADC還縮小了可用信號調(diào)理（運(yùn)放）解決方案的范圍。如果需要通過高壓和低壓輸入的組合對信號進(jìn)行多路復(fù)用，則實(shí)施成本可能會變得相當(dāng)昂貴（圖 2）。

圖1.MX574A 高壓 ADC 以更高的功耗為代價容納大輸入信號。為了實(shí)現(xiàn)這種解決方案，通常需要±15V和+5V電源。

圖2.多路復(fù)用雙極性高壓ADC系統(tǒng)。

您還可以使用輸入放大器執(zhí)行信號縮放，以驅(qū)動低壓ADC的整個輸入范圍。該信號調(diào)理電路可以連接到單個多路復(fù)用輸入（見圖3），因此所有信號都覆蓋ADC的范圍。

圖3.高壓多路復(fù)用系統(tǒng)，采用單路MAX11100低壓ADC。

當(dāng)放大器用于執(zhí)行信號電壓調(diào)節(jié)時，噪聲被回饋到放大器的輸入端。目前有兩個主要噪聲源：放大器本身的輸入?yún)⒖荚肼暫虯DC的按比例縮小的輸入?yún)⒖荚肼暋＿@兩個噪聲源以二次方式組合在一起。此外，放大器的噪聲由ADC的輸入帶寬以及放大器和ADC輸入之間的抗混疊濾波器濾除。參見圖 4。

圖4.縮放放大器引入噪聲，但噪聲由ADC的RC和輸入網(wǎng)絡(luò)濾波。

系統(tǒng)SNR（在放大器輸入端）的公式為：

其中：

nADC = ADC 的輸入有效值噪聲

nOPA = 放大器的輸入?yún)⒖荚肼暎ㄝ斎雲(yún)⒖?X 比例因子）

f-3dB = 單極 -3dB 頻率

對于給定的ADC滿量程范圍、ADC的輸入?yún)⒖荚肼暫头糯笃鞯谋壤蜃樱袃蓚€變量會影響目標(biāo)SNR損耗下降：濾波器截止頻率和放大器輸入?yún)⒖荚肼暋?/p>

如果信號源具有低頻成分，則可以設(shè)計濾波器，使放大器能夠承受更大的輸入噪聲（較高的輸入噪聲通常與較低的功耗和更低的成本相關(guān)）。如果ADC限制了系統(tǒng)的帶寬，則放大器需要具有足夠低的折合到輸入端的噪聲，以實(shí)現(xiàn)容許的SNR損耗下降。

例如，給定一個±10V輸入信號和一個5VP-P滿量程范圍ADC，SNR為92dB，比例因子（輸入到滿量程范圍）為4。數(shù)據(jù)手冊中ADC折合到輸入端的噪聲為44.4nV有效值。假設(shè)濾波器的截止頻率為10kHz，放大器的輸入?yún)⒖荚肼暈?0nV/√Hz，則SNR損耗為：

信噪比（損耗）= 0.035dB

如果沒有濾波器，并且ADC帶寬（例如）為10MHz，則實(shí)現(xiàn)相同SNR損耗所需的新輸入?yún)⒖荚肼曌優(yōu)?.3nV/√Hz，這是相當(dāng)嚴(yán)格的。

對于ADC中相同的10MHz帶寬，如果我們允許SNR（損耗）= 0.5dB，則放大器的噪聲要求變?yōu)?nV/√Hz，這更容易實(shí)現(xiàn)。

存在集成度更高、高度靈活的解決方案，允許用戶在輸入多路復(fù)用器上輸入不同的信號范圍，對每個輸入的增益進(jìn)行編程，同時進(jìn)行掃描并優(yōu)化SNR。例如，Maxim提供MAX1300系列16/14位ADC，提供多達(dá)8個輸入信號，如圖5所示。MAX1300采用12V單電源供電，可接受高達(dá)±5V的雙極性輸入信號，從而減少了外部元件、電源和電路板空間。

圖5.MAX1300 ADC具有可編程輸入范圍（包括單電源的雙極性）、每個采樣的可編程增益和內(nèi)部基準(zhǔn)。

另一個靈活的系統(tǒng)是MAX11131，這是一款12位、16通道、3Msps ADC。設(shè)備具有樣本集?技術(shù)，一種用戶可編程的模擬輸入通道序列器，允許多達(dá) 256 個任意編程掃描序列（圖 6）。SampleSet 技術(shù)還允許不對稱地斷開輸入帶寬，使系統(tǒng)能夠靈活地處理不同通道上的高頻和低頻內(nèi)容信號。

圖6.MAX11131的功能框圖，MAX3是一款12Msps、16位、《》通道ADC，具有靈活的SampleSet多路復(fù)用時序。

總之，考慮到系統(tǒng)帶寬和可容忍的SNR損耗，增加一個縮放放大器將高壓信號轉(zhuǎn)換為全范圍低壓ADC是完全可以實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)多電平信號饋入多路復(fù)用低壓ADC時，該解決方案可以提供非常經(jīng)濟(jì)高效的系統(tǒng)。Maxim提供廣泛的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器解決方案，具有領(lǐng)先的16位和24位性能，以及用于抗混疊的集成濾波器。

審核編輯：郭婷