ADC采样率与输入带宽的关系 高采样率下ADC布局中的降噪

无论您是选择将ADC内置于MCU还是作为外部组件，无论何时选择ADC，采样速率都是首要考虑因素，因为它将决定您再现测量信号的能力。射频应用，模拟传感器板和其他混合信号设备将需要至少一个具有适当选择的ADC采样率的ADC。

如果要使用混合信号板进行设计，则需要在所需的信号带宽，采样率和ADC的模拟输入带宽之间取得平衡。在使用谐波频率时，很少考虑最后一点，但是对于需要检测脉冲流，宽泛的谐波频率范围或任何其他宽带宽信号的情况，这一点非常重要。如果选择错误采样率的ADC，最终将导致混叠产生虚假信号伪像的情况。

这在模数转换器（ADC）和用于时域测量的示波器中会产生一些重要的后果。在ADC中，我们通常使用有限带宽的信号，因此需要在时域中对其进行数字表示。在示波器中，我们可能需要在时域中再现任何可能的信号（包括时钟或数字信号）。所有这些都取决于设置适当的采样率。

就像任何其他模拟组件及其信号一样，ADC本身也将具有一定的带宽。就像滤波器或放大器一样，模拟带宽（或全功率带宽FPBW）定义了-3 dB点，超出该点会有一些滚降。同样，就像放大器一样，ADC直到其带宽截止频率都不会具有无失真的输出。

由于有限的输入带宽，除非您将采样率设置得非常低，否则ADC的带宽通常小于奈奎斯特频率。除奈奎斯特频率外，所有频率分量都将被混叠。下面显示了两种不同类型的响应，红色区域对应于ADC混叠的频率范围。

ADC中的理想，最大平坦度和高斯ADC输入频率响应曲线

对于红色曲线，ADC输入频率响应恰好在奈奎斯特频率处被截断。尽管您可以通过正确的过滤器集来接近，但这种理想的行为无法物理再现。大多数ADC的实际行为对于经常使用示波器的人们是熟悉的。响应是高斯或类似高斯的。处理PCB中的宽带信号的一个更好的选择是选择一个带宽接近蓝色曲线的ADC。在这里，我们有一个“有效”奈奎斯特频率，等于Fs / 2.5。

ADC采样率与输入带宽的关系

如果我们看上图，在为混合信号板选择ADC时，有两点要理解：

信号失真已经在混叠频率之前发生。这可以从ADC的高斯和最大平坦频率响应中看出。简单地增加采样频率将不会出现此问题。

使用较低的采样频率可以降低成本，但会增加高频分量在信号输出上产生一些伪像的机会。任何在示波器轨迹上看到幻影轨迹，毛刺或人为调制的人都对信号再现中的这些伪像很熟悉。

再现此类信号需要正确的ADC采样率

使用ADC采样率降低PCB噪声

回到最初的问题：最佳采样率是多少？答案是……取决于！如果您的混合信号板在模拟信号上有过多的宽带噪声，则可以使用更高的采样率来降低这种噪声。对宽带模拟信号进行采样时，一个好的经验法则是将采样率设置为信号基本频率的2到5倍。

高速采样后，您可以将输出通过抗混叠滤波器。以更高的速率采样会将宽带噪声功率分布在更高的带宽上，使输出通过抗混叠滤波器将切断不需要的高频分量，包括高频噪声。

高采样率下ADC布局中的降噪

选择具有所需采样率的ADC之后，您必须考虑自己的布局策略。混合信号板上ADC的基本布局规则可能是让ADC跨接在接地层的数字和模拟部分，以确保这些不同类型的信号保持分离。像其他具有数字输出的组件一样，ADC容易受到接地反弹的影响，因此请确保使用旁路电容器来抑制该噪声源并提供准确的信号再现。将此旁路电容器与ADC的接地层接地，以提供尽可能低的环路电感。

如果ADC正在接收RF信号，请考虑使用共面波导配置来路由输入线。这将有助于将线路与其他模拟组件隔离开来，并减少串扰。要避免将时钟信号与时钟走线串扰，请小心在靠近ADC输入或输出走线的地方布线时钟信号。时钟和数字输出线之间的串扰在时钟线上产生正弦噪声信号。然后，它可以作为相位调制耦合回模拟输入，从而在高采样率下产生错误的信号再现。布线时，尽量减少时钟线和信号线之间的宽边耦合。
编辑：hfy