影響信噪比損失的主要因素有哪些？

在使用模數轉換器 (ADC) 進行設計時，很容易誤認為降低輸入信號以滿足 ADC 的滿量程範圍會導致信噪比 (SNR) 顯著下降）。

　　需要處理寬電壓擺幅的系統設計人員尤其關注這一點。此外，與由更高電壓供電的ADC相比，由低電壓（5V或更低）供電的ADC更加多樣化。

　　更高的電源電壓通常會導致更大的功耗和更複雜的電路板佈局（例如，需要更多的去耦電容）。

　　傳感器或系統產生的許多信號是雙極高壓信號（如廣泛使用的±10V信號）。但是，有許多簡單的方法可以通過 ADC 傳遞此信號；還可以使用各種集成高壓 ADC 解決方案：它可以處理這種大的滿量程輸入信號，而不會犧牲 SNR。這些解決方案需要非常高的電源電壓才能滿足輸入範圍要求，而且它們的功耗也相當大（圖 1）。這些高壓 ADC 還縮小了信號調節（運算放大器）解決方案的選擇範圍。如果信號需要與高壓和低壓輸入的組合復用，系統成本將顯著增加（圖 2）。

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　　您還可以使用輸入放大器來調整信號以匹配低壓 ADC 的滿量程輸入範圍。該信號調理電路可以連接到多路復用輸入，以便所有信號都符合 ADC 範圍（圖 3）。

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　　當使用放大器進行信號電壓縮放時，噪聲以放大器輸入為參考。此時，主要有兩個噪聲源：放大器本身的輸入參考噪聲，以及ADC降低後的輸入參考噪聲。這兩個噪聲源組合在一個二次項中。此外，放大器的噪聲也被ADC的輸入帶寬和放大器與ADC輸入之間的抗混疊濾波器濾除，見圖4。

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　　圖 4：變焦放大器引入噪聲，但噪聲被 RC 電路和 ADC 的輸入網絡過濾掉。
　　系統SNR（放大器輸入端）的計算公式為：

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　　其中： VnADC 是 ADC 的輸入 RMS 噪聲； VnOPA 是放大器的輸入參考噪聲（X 乘以輸入參考）= 單極點 -3dB 頻率。

　　給定 ADC 的滿量程範圍、ADC 輸入參考噪聲和放大器比例因子，有兩個變量會影響 SNR 損耗降低的目標：濾波器的截止頻率和放大器的輸入參考噪聲。

　　如果信號源有低頻成分，可以設計一個濾波器，使放大器能夠承受較大的輸入噪聲（較高的輸入噪聲通常與較低的功耗和成本有關）。如果 ADC 限制了系統的帶寬，則放大器需要具有足夠低的輸入參考噪聲，以將 SNR 損失控制在可接受的範圍內。

　　例如，給定一個 ±10V 輸入信號和一個 SNR 為 5dB 的 92VP-P 滿量程範圍 ADC，比例因子（輸入與滿量程範圍之比）為 4。數據表為 44.4 nV RMS。假設濾波器的截止頻率為10kHz，放大器的輸入參考噪聲為10nV/(Hz) 1/2，則SNR損耗為：SNR(loss)=0.035dB。

　　如果沒有濾波器且假定ADC帶寬為10MHz，為了達到相同的SNR損耗，所需的輸入參考噪聲變為0.3nV/(Hz) 1/2。這個要求非常嚴格。

　　對於同樣帶寬10MHz的ADC，如果允許SNR(loss)=0.5dB，放大器的噪聲要求為4nV/(Hz) 1/2，實現起來相對容易。

　　因此，如果給定係統帶寬和允許的 SNR 損耗，在滿量程範圍內增加一個比例放大器將高壓信號轉換為低壓 ADC 將是一個完全可行的解決方案。當將具有不同擺幅的多個信號饋送到多路復用低壓 ADC 時，該解決方案可以實現經濟高效的系統。