頻譜密度什麼意思

以下文章來源於亞德諾半導體 ，作者ADI

模數轉換器（ADC）有很多規格，某些規格對於某個特定應用而言要比對於其他應用更重要。理解這些規格並控制影響ADC的外部器件將實現更佳的效能。

有如此之多的模數轉換器（ADC）可供選擇，我們總是很難弄清哪種ADC才最適合既定應用。資料手冊往往會使問題變得更加複雜，許多技術規格都以無法預料的方式影響著效能。

選擇轉換器時，工程師通常只關注解析度、信噪比（SNR）或者諧波。這些雖然很重要，但其他技術規格同樣舉足輕重。

解析度

解析度可能是最易被誤解的技術規格，它表示輸出位數，但不提供有用的效能資料。部分資料手冊會列出有效位數（ENOB），它使用實際SNR測量來計算轉換器的有效性。一 種更加有用的轉換器效能指標是以dBm/Hz或nV/√Hz規定的噪聲頻譜密度（NSD）。NSD可以透過已知取樣速率、輸入範圍、SNR和輸入阻抗計算得出（dBm/Hz）。已知這些引數，便可選擇一款轉換器來匹配前端電路的模擬效能。這種選擇ADC的方法比僅僅列出解析度更有效。

許多使用者還會考慮雜散和諧波效能。這些都與解析度無關，但轉換器設計人員一般要調整他們的設計，使諧波與解析度相一致。

電源抑制

電源抑制（PSR）測量電源紋波如何與ADC輸入耦合以顯現在其數字輸出上。如果PSR有限，電源線上的噪聲將僅受到低於輸入電平30 dB至50 dB的抑制。

一般而言，電源上的無用訊號與轉換器的輸入範圍相關。例如，如果電源上的噪聲是20 mV均方根而轉換器輸入範圍是0。7 V均方根，則輸入上的噪聲是–31 dBFS。如果轉換器有 30 dB PSR，則相干噪聲會在輸出中顯現為一條–61 dBFS譜線。在確定電源將需要多少濾波和去耦時，PSR尤其有用。PSR在醫療應用或工業應用等高噪聲環境中，以及需 要使用DC-DC轉換器的高能效應用中非常重要。

共模抑制

共模抑制（CMR）測量存在共模訊號時引起的差模訊號。許多ADC採用差分輸入來實現對共模訊號的高抗擾度，因為差分輸入結構本身抑制偶數階失真積。

與PSR一樣，電源紋波、接地層上產生的高功率訊號、混頻器和RF濾波器的RF洩漏以及能夠產生高電場和磁場的應用會引起共模訊號。雖然許多轉換器不規定CMR，但他們 通常具有50 dB至80 dB的CMR。

時鐘壓擺率

時鐘壓擺率是實現額定效能所需的最小壓擺率。多數轉換器在時鐘緩衝器上有足夠的增益，以確保取樣時刻界定明確，但如果壓擺率過低而使取樣時刻很不確定，將產生過 量噪聲。如果規定最小輸入壓擺率，使用者應滿足該要求，以確保額定噪聲效能。

孔徑抖動

孔徑抖動是ADC的內部時鐘不確定性。ADC的噪聲效能受內部和外部時鐘抖動限制。

在典型的資料手冊中，孔徑抖動僅限轉換器。外部孔徑抖動以均方根方式與內部孔徑抖動相加。對於低頻應用，抖動可能並不重要，但隨著模擬頻率的增加，由抖動引起的噪聲問題變得越來越明顯。如果不使用充足的時鐘，效能將比預期要差。

除由於時鐘抖動而增加的噪聲以外，時鐘訊號中與時鐘不存在諧波關係的譜線也將顯現為數字化輸出的失真。因此，時鐘訊號應具有儘可能高的頻譜純度。欲瞭解有關孔徑抖動效應的更多詳細資訊，請參考ADI應用筆記AN-501和AN-756。

孔徑延遲

孔徑延遲是取樣訊號的應用與實際進行輸入訊號取樣的時刻之間的時間延遲。此時間通常為納秒或更小，可能為正、為負或甚至為零。除非知道精確的取樣時刻非常重要，否則孔徑延遲並不重要。

轉換時間和轉換延遲

轉換時間和轉換延遲是兩個密切相關的技術規格。轉換時間一般適用於逐次逼近型轉換器（SAR），這類轉換器使用高時鐘速率處理輸入訊號，輸入訊號出現在輸出上的時間明顯晚於轉換命令，但早於下一個轉換命令。轉換命令與轉換完成之間的時間稱為轉換時間。

轉換延遲通常適用於流水線式轉換器。作為測量用於產生數字輸出的流水線（內部數字級）數目的技術規格，轉換延遲通常用流水線延遲來規定。透過將此數目乘以應用中使用的取樣週期，可計算實際轉換時間。

喚醒時間

為了降低功耗敏感型應用的功耗，器件通常在相對不用期間關斷。這樣做確實可以節省大量功耗，但器件重新啟動時，使內部基準電壓源穩定以及使內部時鐘功能恢復需要有限時間量。期間產生的轉換資料將不滿足技術規格。

輸出負載

同所有數字輸出器件一樣，ADC，尤其是CMOS輸出器件，規定輸出驅動能力。出於可靠性的原因，知道輸出驅動能力比較重要，但最佳效能一般會發生在未達到完全驅動能力時。

在高效能應用中，重要的是，將輸出負載降至最低並提供適當的去耦和最佳化佈局，以儘可能降低電源上的壓降。為了避免此類問題發生，許多轉換器都提供LVDS輸出。LVDS具有對稱性，因此可以降低開關電流並提高總體效能。如果可以，應該使用LVDS輸出以確保最佳效能。

單調性

非單調性轉換器是一種數字程式碼的斜率符號表現出區域性變化的器件。因此，對於一個持續增加的模擬輸入而言，數字輸出表現出一個區域性變化，其斜率從正變為負，再變回正。對於交流效能很重要的應用，非單調性表現一般不會有問題。但是，對於ADC是閉合環路一部分的應用，這種表現通常會導致環路不穩定和較差的效能。對於這類應用，應當仔細選擇轉換器，確保轉換器滿足單調性效能。

未規定標準

一個至關重要的未規定專案是PCB佈局。雖然可規定內容的不多，但該專案會顯著影響轉換器的效能。例如，如果應用未能採用充足的去耦電容，就會存在過量的電源噪聲。由於PSR有限，電源上的噪聲會耦合到模擬輸入中並破壞數字輸出頻譜，如圖1所示。

圖1。 電容與效能（左）和有限電容效能（右）