ZHCACR6A June 2023 – November 2023 TLV320ADC3120 , TLV320ADC3140 , TLV320ADC5120 , TLV320ADC5140 , TLV320ADC6120 , TLV320ADC6140

2 通過 ADC 求和來增強 SNR

在音頻 ADC 中，過采樣會降低目標頻帶中的量化噪聲，從而提高 SNR。N 位 ADC 的信噪比理論值可以表示為：

方程式 1.

S N R = 6.02 N + 1.76 d B

其中，N 是位數。通過過采樣，可以提高 SNR，而設計人員可以使用以下公式來量化 SNR 的改進：

方程式 2.

{S N R}_{O S} = 6.02 N + 1.76 d B + 10 \times \log ? (O S R)

其中 OSR（過采樣率）是采樣頻率與輸入頻率兩倍之比，也稱為奈奎斯特頻率。這個比率可通過以下公式得出：

方程式 3.

O S R = \frac{f s}{2 \times f i n}

上述公式表明，SNR 每倍頻程會提高 3dB。因此，如果 OSR = 2，SNR 會提高 3dB；如果 OSR = 4，則 SNR 會提高 6dB。

TI 音頻 ADC 產品系列中的 TLV320ADC5140 和 TLV320ADC6140 器件采用動態范圍增強器 (DRE) 算法，該算法可用于通過提高 ADC 通道在低信號電平下的動態范圍來提升遠場錄音性能。DRE 是一種數字輔助算法，可動態調整前端可編程增益放大器 (PGA)，以提高低電平信號的信噪比，同時防止高電平信號使 PGA 和 ADC 飽和。

前面幾節中介紹的兩種方法都已嵌入到 ADC 設計中。還有另一種方法可以改善動態范圍，這與過采樣方法類似。這種方法并聯使用兩個、四個或更多 ADC，而不是進行過采樣。在這種方法中，相同的輸入被饋送到所有 ADC，因為輸入全都連接在一起，并且對輸出進行求和并取平均值，以獲得改進的動態范圍。在圖 2-1 中，輸入端連接了兩個相同的 ADC，接收相同的電壓。輸出在數字域中進行求和，并使用 FPGA 或數字信號處理器內的后端數字處理取平均值。

圖 2-1 連接兩個相同的 ADC 并對 ADC 輸出求和

方程式 1 至方程式 9 展示了使用此方法如何改善動態范圍。當對兩個頻率和相位相同的信號求和時，信號會以電壓形式相加。這個求和的結果是：

方程式 4.

V s u m = V 1 + V 2

但是，隨機信號（例如具有不同頻率和相位的噪聲）會以功率形式相加。來自兩個獨立轉換器或通道的噪聲為白噪聲和隨機噪聲，這意味著來自不同通道或器件的噪聲絕大多數是不相關的。由于噪聲信號是隨機的，因此必須通過統計方法來處理信號。兩個噪聲源的求和結果為：

方程式 5.

V_{n}^{2} = V_{n 1}^{2} + V_{n 2}^{2}

圖 2-1 展示了一個具有兩個相同 ADC 的電路。圖中使用了兩個相同的 ADC，為這兩個 ADC 提供了相同的輸入，并且每個 ADC 的輸出均發送到數字域中進行求和并取平均值。每個 ADC 的輸入由輸入信號和噪聲組成。兩個輸出可以使用以下公式進行求和：

方程式 6.

V o u t_{s u m} = V i n 1 + V i n 2 + \sqrt{{V_{n 1}}^{2} + {V_{n 2}}^{2}}

在前面的公式中，兩個輸入是相同的。對這些信號求和會使信號電平加倍，這相當于信號電平增加 6dB，而對不相關噪聲源求和則會將噪聲電平增加 1.4 倍（即 3dB）?？傮w而言，動態范圍提高了 3dB。這個概念可以擴展到更多并聯器件，從而可以進一步提高 SNR。例如，如果并聯使用四個 ADC，結果是 SNR 提高 6dB。結合方程式 1（用于根據位數計算 SNR），有效位數 (ENOB) 可使用以下公式計算得出：

方程式 7.

E N O B = \frac{S N R - 1.76}{6.02}

在 SNR 提高 3dB 后，新的 ENOB 計算如下：

方程式 8.

E N O B' = \frac{S N R' - 1.76}{6.02}

其中，對于兩個并聯使用的轉換器，SNR’=SNR+3。替換方程式 8 中的 SNR’ 后，便會得到以下公式。

方程式 9.

E N O B^{'} = \frac{S N R + 3 - 1.76}{6.02} = E N O B + 0.498

并聯使用的器件數量每增加一倍，有效位數增加大約 0.5，而 SNR 將提高 3dB。