天華中威科技微波小課堂_高效利用ADC的動態范圍

動態范圍（DR）是模擬-數字轉換器（ADC）的一個常見性能指標。在無線通信和儀表測量等應用中，這個參數尤為重要。本文將首先解釋動態范圍的定義，然后我們將看到，為了高效利用ADC的動態范圍，應將輸入信號的幅度調整至ADC的參考電壓。

ADC動態范圍

動態范圍定義為ADC能夠可靠測量的最大值與最小值之間的比例。對于ADC來說，動態范圍與用于數字化模擬信號的位數相關。以理想N位ADC為例，它能夠檢測到的最小值是一個最低有效位（LSB）。而最大值則是LSB值的2^N-1倍。因此，以分貝為單位表示時，ADC的動態范圍將是

因此，對于一個10位的ADC，我們期望其動態范圍達到60.2分貝。這意味著該ADC能夠解析的信號幅度范圍從x到大約1000x，其中x是它能夠檢測到的最小信號幅度。

為何動態范圍如此重要：一個實例

動態范圍在通信應用中尤為重要，因為接收到的信號強度可能會有很大變化。需要注意的是，理想的無線電設備應該能夠可靠地接收非常微弱和非常強烈的信號。接收機的這一大動態范圍在很大程度上受到接收鏈中使用的ADC動態范圍的影響。

ADC具有特定的動態范圍，我們通常調整接收信號的幅度，以有效利用ADC可用的動態范圍。

將輸入信號調整至ADC的參考電壓

假設我們有一個理想的四位ADC，其參考電壓為2v。在這種情況下，ADC會使用16個離散來量化輸入信號。假設我們將x1(t) = 1v+ 1v * sin(2πf1t)這一信號應用于該ADC，其中f1是正弦波的頻率。ADC會將輸入信號的幅度與其16個離散電平進行比較。

基于這種比較，將生成正弦波的數字表示。例如，將輸入信號與ADC的16個離散電平進行比較的過程可能會導致圖1中顯示的紅色曲線。在圖1中，T等于1/f1?，F在，將使用二進制來表示獲得的階梯狀近似的每個電平。

舉例來說，當紅色曲線的值等于4倍的最小有效位（LSB）時，我們四位ADC的輸出將是0100。

圖1. 應用于ADC的模擬信號（藍色）及其階梯近似（紅色）。

現在，假設我們使用相同的ADC來數字化x2(t) = 0.25volt + 0.25volt * sin(2πf1t)。該信號的階梯近似將如圖2所示。

圖2

請注意，由于ADC的參考電壓沒有改變，其最低有效位（LSB）仍然是1/8V。如圖2所示，輸入信號的最大值為4LSB，它遠遠小于ADC的參考電壓。你可能會說圖2展示了我們ADC的預期功能，并沒有什么問題。但實際上，這意味著ADC的動態范圍并沒有得到充分利用。在實際情況中，我們通常希望輸入信號的幅度盡可能接近ADC的參考電壓，以充分利用ADC的動態范圍。

為了更好地理解這個問題，假設這個ADC被用在一個接收機中。在接收機的正常工作中，ADC應該數字化圖1中所示的x1(t)信號。這就是為什么ADC的參考電壓被選擇為等于輸入模擬信號的最大值，即2v。然而，假設在某些位置，接收到的信號很弱，ADC必須數字化如圖2所示的x2(t)信號。在后一種情況下，我們僅使用4bits來數字化模擬信號，這意味著ADC的動態范圍并沒有得到充分利用。

在圖1中，幾乎可以一眼看出紅色曲線是x1(t)的階梯近似。然而，在圖2中，我們幾乎無法辨認出紅色曲線是正弦波形的一部分的近似。這是因為第二個實驗采用了較少的位近似模擬信號。在這種情況下，大于或等于4LSB的根本沒有被利用。此時，ADC相當于一個參考電壓為4LSB的兩位ADC。實際上，ADC的位數從圖1的四位減少到了圖2的兩位。

為了避免ADC有效位數減少的問題，我們可以簡單地將弱信號乘以四倍，并將其最大值調整到ADC的參考電壓。然后，如果系統后續階段需要，我們可以考慮輸入信號被額外乘以了四倍。這如圖3所示。

圖3

通常，當輸入信號的動態范圍較大時，我們可以在ADC之前使用低噪聲可控增益放大器（VGA）。例如，如圖4所示，一個接收器在模數轉換之前可能會使用VGA。VGA的增益將根據輸入信號的幅度動態調整。這將有效地擴展VGA和ADC級聯的動態范圍。

圖4

某個datasheet中給出了一個示例，即在ADC之前放置一個VGA。如果不使用VGA，10位ADC提供的動態范圍約為60分貝。但是，通過使用增益范圍為48分貝的低噪聲VGA，VGA和10位ADC的級聯提供的動態范圍將超過100分貝。這一改進使得ADC能夠處理更廣泛范圍的信號幅度，提高了系統的整體性能。

總結一下

在無線通信等某些應用中，系統需要較大的動態范圍。通常，所使用的ADC的動態范圍可能會限制系統的整體動態范圍。在這種情況下，我們可能需要在ADC之前放置一個低噪聲的可變增益放大器（VGA）。VGA將放大弱信號并衰減強信號。通過將最大輸入信號調整到ADC的參考電壓，可以顯著提高VGA和ADC級聯的動態范圍。這一舉措能有效提升系統在處理不同幅度信號時的性能。