将高压输入电平处理到低压ADC中，而不会损失太多SNR

通常很难找到与模拟输入范围一致，但又具有适当输入数量、所需尺寸和正确采样速度的模数转换器（ADC）。特别是对于处理宽电压摆幅的系统设计人员来说，人们担心缩小输入信号以驱动ADC的满量程范围会显著降低信噪比（SNR）。本应用笔记讨论了影响这种SNR损耗的因素，如何量化，更重要的是，如何将其最小化。

使用模数转换器（ADC）进行设计时，一个典型的误解是，缩小输入信号以驱动ADC的满量程范围会显著降低信噪比（SNR）。对于使用宽电压摆幅的系统设计人员来说，这一点尤其值得关注。使问题更加复杂的是，与高压电源相比，用于低压电源（5V或更低）的ADC产品范围也广泛得多。更高的电源通常会导致更高的功耗和电路板复杂性，例如需要更多的去耦电容。本应用笔记讨论了影响缩放引入的SNR损耗的因素，如何量化，更重要的是，如何将其最小化。

来自传感器或系统的许多信号是高压和双极性的;例如±10V被广泛使用。但是，有一些简单的方法可以通过ADC驱动该信号，并且可以使用集成的高压ADC解决方案来处理如此大的满量程输入而不会损失SNR。这些解决方案通常需要额外的高压电源来适应输入范围并消耗相当大的功率（图 1）。这些高压ADC还缩小了可用信号调理（运放）解决方案的范围。如果需要通过高压和低压输入的组合对信号进行多路复用，则实施成本可能会变得相当昂贵（图 2）。

图1.MX574A 高压 ADC 以更高的功耗为代价容纳大输入信号。为了实现这种解决方案，通常需要±15V和+5V电源。

图2.多路复用双极性高压ADC系统。

您还可以使用输入放大器执行信号缩放，以驱动低压ADC的整个输入范围。该信号调理电路可以连接到单个多路复用输入（见图3），因此所有信号都覆盖ADC的范围。

图3.高压多路复用系统，采用单路MAX11100低压ADC。

当放大器用于执行信号电压调节时，噪声被回馈到放大器的输入端。目前有两个主要噪声源：放大器本身的输入参考噪声和ADC的按比例缩小的输入参考噪声。这两个噪声源以二次方式组合在一起。此外，放大器的噪声由ADC的输入带宽以及放大器和ADC输入之间的抗混叠滤波器滤除。参见图 4。

图4.缩放放大器引入噪声，但噪声由ADC的RC和输入网络滤波。

系统SNR（在放大器输入端）的公式为：

其中：

nADC = ADC 的输入有效值噪声

nOPA = 放大器的输入参考噪声（输入参考 X 比例因子）

f-3dB = 单极 -3dB 频率

对于给定的ADC满量程范围、ADC的输入参考噪声和放大器的比例因子，有两个变量会影响目标SNR损耗下降：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，则可以设计滤波器，使放大器能够承受更大的输入噪声（较高的输入噪声通常与较低的功耗和更低的成本相关）。如果ADC限制了系统的带宽，则放大器需要具有足够低的折合到输入端的噪声，以实现容许的SNR损耗下降。

例如，给定一个±10V输入信号和一个5VP-P满量程范围ADC，SNR为92dB，比例因子（输入到满量程范围）为4。数据手册中ADC折合到输入端的噪声为44.4nV有效值。假设滤波器的截止频率为10kHz，放大器的输入参考噪声为10nV/√Hz，则SNR损耗为：

信噪比（损耗）= 0.035dB

如果没有滤波器，并且ADC带宽（例如）为10MHz，则实现相同SNR损耗所需的新输入参考噪声变为0.3nV/√Hz，这是相当严格的。

对于ADC中相同的10MHz带宽，如果我们允许SNR（损耗）= 0.5dB，则放大器的噪声要求变为4nV/√Hz，这更容易实现。

存在集成度更高、高度灵活的解决方案，允许用户在输入多路复用器上输入不同的信号范围，对每个输入的增益进行编程，同时进行扫描并优化SNR。例如，Maxim提供MAX1300系列16/14位ADC，提供多达8个输入信号，如图5所示。MAX1300采用12V单电源供电，可接受高达±5V的双极性输入信号，从而减少了外部元件、电源和电路板空间。

图5.MAX1300 ADC具有可编程输入范围（包括单电源的双极性）、每个采样的可编程增益和内部基准。

另一个灵活的系统是MAX11131，这是一款12位、16通道、3Msps ADC。设备具有样本集™技术，一种用户可编程的模拟输入通道序列器，允许多达 256 个任意编程扫描序列（图 6）。SampleSet 技术还允许不对称地断开输入带宽，使系统能够灵活地处理不同通道上的高频和低频内容信号。

图6.MAX11131的功能框图，MAX3是一款12Msps、16位、《》通道ADC，具有灵活的SampleSet多路复用时序。

总之，考虑到系统带宽和可容忍的SNR损耗，增加一个缩放放大器将高压信号转换为全范围低压ADC是完全可以实现的。当多电平信号馈入多路复用低压ADC时，该解决方案可以提供非常经济高效的系统。Maxim提供广泛的数据转换器解决方案，具有领先的16位和24位性能，以及用于抗混叠的集成滤波器。

审核编辑：郭婷