在不损失SNR的前提下，将高压信号转换成低压ADC输入 转换器

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关键字：高压信号   低压ADC输入   信噪比  
有些情况下，很难找到与模拟输入范围相匹配的模/数转换器(ADC)，更不用说还要考虑合适的输入通道、尺寸以及正确的采样速率。特别是系统设计人员需要处理各种摆幅的电压信号时，如果按比例缩小输入信号范围以适应ADC的满量程范围要求，将大大降低信噪比(SNR)。本文讨论了影响SNR损失的因素，如何量化这些损失，并最终减小这些损失的途径。
模/数转换器(ADC)电路设计中，特别是当系统设计人员需要处理各种摆幅的电压信号时，很容易产生的一个误区是缩小输入信号范围，以适应ADC的满量程范围，这将大大降低信噪比(SNR)。综合来看，相对于高压ADC，低压(5V或者更低) ADC的选择范围更宽。高电源电压通常会导致大的功耗，电路板设计也更加复杂，例如，需要使用更多的去耦电容。这篇应用笔记讨论了由于信号缩小所引起的SNR损失，如何量化这些损失，以及如何减小这些损失。

很多传感器或系统输出为高压或双极性消耗，比如，常见的±10V。当然，可以通过一些简单的方法将这些信号送入ADC，进而利用高压ADC处理这些宽范围输入信号，不会造成SNR损失。这些方案通常需要额外的高压电源，以满足输入量程及较大功率的需求(图1所示)。这些高压ADC同时也限制了信号调理(运放)方案的使用。如果信号需要复用高压和低压输入，实际电路的成本将更高(图2)。



图1：MX574A高压ADC能够支持较大的输入信号量程，但也消耗较高功率。为了实现这个方案，必须采用±15V双电源和+5V单电源供电。




图2：多路复用、双极性高压输入ADC系统。


也可以使用一个输入运放，将信号缩小到低压ADC的满量程范围。该信号调理电路可以连接到一个单独的模拟开关输入口(如图3)，将所有信号都限制在ADC输入范围以内。



图3：采用单片MAX11100低压ADC和复用器处理高压输入。


采用运放缩小信号电压范围时，可以将运放噪声等效为运放的输入噪声。这里主要有两个噪声源：运放参考输入噪声和压缩信号产生的ADC输入参考噪声。这两个噪声源组合成一个二次方程。此外，放大器噪声经过ADC输入带宽以及运放和ADC输入之间的抗混叠滤波器滤波，如图4所示。



图4：比例运放引入噪声，但该噪声经过RC滤波和ADC输入网络滤波。


系统SNR(运放输入前端)公式为：




其中：

vnADC = ADC的输入RMS噪声
vnOPA = 运放的输入噪声
f-3dB = 单极点-3dB频率