专家详解模数转换器中的噪声系数

在数模转换器中，噪声系数与信噪比是能够互换的。要想了解噪声密度，必须对噪声系数有所了解，而信噪比则是目标频段的噪声总量。本文就由专家为我们解析模数转换器中的噪声系数。

在尝试了解级联信号链的动态机制时，噪声系数用起来是十分方便的。当源电阻增加4倍时，噪声系数将提高6 dB，但是，增加的电阻同时会增加转换器中的约翰逊噪声。源电阻较高或者超过模拟前端（变压器或放大器）上满量程输入信号的一半时，目标频段中的噪声将变得难以控制，最终导致转换器性能下降。

为何如此？如果调低满量程输入，必须调高增益。在理论上，这样做看起来没什么问题，但是，变压器对增益带宽的依赖性比放大器高，因此，用高增益变压器优化噪声系数的做法会增加实现100 MHz以上的常见高中频应用的难度。

放大器也存在类似的问题：随着增益的提高，信号和放大器噪声都会增加，结果会降低转换器的性能。要维持性能不变，就需要采用基于高损耗阻性元件的高阶抗混叠滤波器。

在设计转换器前端时，一定要考虑噪声频谱密度（NSD）。噪声频谱密度通常以nV/√Hz为单位，对转换器具有十分重要的意义，因为要在数字域中对噪声频谱密度进行处理，以便区分并最终挑出频段中的目标信号。

图1.AD9625前端设计示例。

总之，要把增益放在适当的位置，确保整个信号链中的输入和输出满量程信号均实现最大化。在任何信号链中，衰减、填充位或电阻都不是良性的噪声系数折衷考虑因素，因为结果会浪费功耗，而且电阻还会增加噪声。

噪声系数 = Pf– SNR – 10 log BW + 174 dBm，其中，Pf为输入网络的满量程功耗，SNR为输入网络的实测信噪比，BW为输入网络的–3 dB带宽，174 dBm为热噪底；热噪底 = kTBW，其中，k为1.38 ×10–23，室温下，T为300K。