不损失SNR前提下 高压信号转换成低压ADC输入
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：
nadc = adc的输入rms噪声
nopa = 运放的输入噪声
f-3db = 单极点-3db频率
对于给定的adc满量程范围、adc输入参考噪声、运放增益，有两个参数会影响到最终的信噪比损失：滤波器截止频率和放大器输入参考噪声。
如果信号源具有低频成分，可通过设计滤波器使其具有更高的输入噪声容限（在保证低功耗、低成本需求的同时，会牺牲一定的噪声性能）。如果adc限制了系统带宽，则需要运放具有足够低的输入噪声，以达到snr的要求。
举一个例子，输入信号为±10v，而adc满量程输入为5vp-p，adc snr为92db。此时，放大器衰减系数是4倍（将输入调整到满量程）。数据手册提供的adc输入噪声是44.4nvrms。假设滤波器截止频率为10khz，如果采用输入噪声为10nv/√hz的运放，则损失信噪比为：
snr（loss） = 0.035db
如果没有使用滤波器，adc带宽为10mhz，为了将snr控制在同等水平，则要求输入噪声为0.3nv/√hz，设计中很难达到这样的要求。
对于同样10mhz带宽的adc，如果我们允许snr（loss） = 0.5db，则要求运放噪声指标为4nv/√hz，这一点很容易做到。
目前，具有更高集成度、设计更灵活的解决方案允许不同信号范围的输入，轮训采集每个通道时，编程相应通道的输入增益优化snr。比如，maxim的max1300系列16/14位adc提供最多8路输入信号，如图5所示。max1300可接受双极性输入信号，最高±12v，只需单5v供电，由此减少了外围器件和供电电源数，进而缩小pcb面积。
图5. max1300 adc具有可编程输入量程（单电源供电支持双极性输入），
每个采样可编程放大倍数，内部基准。
12位max11131、16通道、3msps adc同样提供了设计灵活性。该器件采用sampleset（注）技术，用户可以灵活配置模拟输入通道的采样顺序，允许多达256种任意扫描顺序（图6）。sampleset技术还允许以非对称形式设置每个通道的扫描频率，灵活处理各个通道的高/低频信号。
图6. max11131功能框图，3msps、12位、16通道adc提供灵活的sampleset多路轮询功能。
总上所述，实际应用中，对于给定的系统带宽和snr损失容限，可以通过加入一个比例放大器将高压信号转换到adc满量程范围规定的低压信号。对于多量程输入的系统，采用这种方式可以有效地把不同摆幅信号输入到一个多通道的低压adc。maxim提供全面的16位到24位数据转换器方案，并在器件内部集成了抗混叠滤波器，非常适合这类应用。
注：sampleset是maxim integrated products， inc.的商标。
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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。
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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：
nadc = adc的输入rms噪声
nopa = 运放的输入噪声
f-3db = 单极点-3db频率
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举一个例子，输入信号为±10v，而adc满量程输入为5vp-p，adc snr为92db。此时，放大器衰减系数是4倍（将输入调整到满量程）。数据手册提供的adc输入噪声是44.4nvrms。假设滤波器截止频率为10khz，如果采用输入噪声为10nv/√hz的运放，则损失信噪比为：
snr（loss） = 0.035db
如果没有使用滤波器，adc带宽为10mhz，为了将snr控制在同等水平，则要求输入噪声为0.3nv/√hz，设计中很难达到这样的要求。
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图6. max11131功能框图，3msps、12位、16通道adc提供灵活的sampleset多路轮询功能。
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