通过通道求和提高音频 ADC 的动态范围和 SNR
- ZHCACR6A June 2023 – November 2023 TLV320ADC3120 , TLV320ADC3140 , TLV320ADC5120 , TLV320ADC5140 , TLV320ADC6120 , TLV320ADC6140

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通过通道求和提高音频 ADC 的动态范围和 SNR

本资源的原文使用英文撰写。为方便起见，TI 提供了译文；由于翻译过程中可能使用了自动化工具，TI 不保证译文的准确性。为确认准确性，请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本（控制文档）。

摘要

本应用手册讨论了一种增加音频 ADC 动态范围和 SNR 的简单而强大的方法，即通道求和。本应用手册还演示了 ADC 的动态性能如何随着并联转换器数量每增加一倍而提高 3dB。

TLV320ADC6140、TLV320ADC5140、TLV320ADC3140、TLV320ADC6120、TLV320ADC5120 和 TLV320ADC3120 音频 ADC 提供通道求和功能。实际结果是通过 TLV320ADC6140 获得的，用于深入演示这种通道求和方法。

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1 引言

在音频领域，要增加系统动态范围，一种常见的技术是将两个、四个或更多 ADC 并联，再将输入连接在一起。该方法的原理是相关信号会以线性方式相加，而不相关信号（例如噪声源）会以平方和根形式相加。使用两个 ADC 时，对于两个振幅相等的信号，这会导致信噪比 (SNR) 幅度增加 1.414 倍（即 3dB）。本应用手册更详细地讨论了该技术，并推导出了可提高性能的公式。

2 通过 ADC 求和来增强 SNR

在音频 ADC 中，过采样会降低目标频带中的量化噪声，从而提高 SNR。N 位 ADC 的信噪比理论值可以表示为：

方程式 1.

S N R = 6.02 N + 1.76 d B

$S N R = 6.02 N + 1.76 d B$

其中，N 是位数。通过过采样，可以提高 SNR，而设计人员可以使用以下公式来量化 SNR 的改进：

方程式 2.

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

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

其中 OSR（过采样率）是采样频率与输入频率两倍之比，也称为奈奎斯特频率。这个比率可通过以下公式得出：

方程式 3.

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

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

上述公式表明，SNR 每倍频程会提高 3dB。因此，如果 OSR = 2，SNR 会提高 3dB；如果 OSR = 4，则 SNR 会提高 6dB。

TI 音频 ADC 产品系列中的 TLV320ADC5140 和 TLV320ADC6140 器件采用动态范围增强器 (DRE) 算法，该算法可用于通过提高 ADC 通道在低信号电平下的动态范围来提升远场录音性能。DRE 是一种数字辅助算法，可动态调整前端可编程增益放大器 (PGA)，以提高低电平信号的信噪比，同时防止高电平信号使 PGA 和 ADC 饱和。

前面几节中介绍的两种方法都已嵌入到 ADC 设计中。还有另一种方法可以改善动态范围，这与过采样方法类似。这种方法并联使用两个、四个或更多 ADC，而不是进行过采样。在这种方法中，相同的输入被馈送到所有 ADC，因为输入全都连接在一起，并且对输出进行求和并取平均值，以获得改进的动态范围。在图 2-1 中，输入端连接了两个相同的 ADC，接收相同的电压。输出在数字域中进行求和，并使用 FPGA 或数字信号处理器内的后端数字处理取平均值。

图 2-1 连接两个相同的 ADC 并对 ADC 输出求和

方程式 1 至方程式 9 展示了使用此方法如何改善动态范围。当对两个频率和相位相同的信号求和时，信号会以电压形式相加。这个求和的结果是：

方程式 4.

V s u m = V 1 + V 2

$V s u m = V 1 + V 2$

但是，随机信号（例如具有不同频率和相位的噪声）会以功率形式相加。来自两个独立转换器或通道的噪声为白噪声和随机噪声，这意味着来自不同通道或器件的噪声绝大多数是不相关的。由于噪声信号是随机的，因此必须通过统计方法来处理信号。两个噪声源的求和结果为：

方程式 5.

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

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

图 2-1 展示了一个具有两个相同 ADC 的电路。图中使用了两个相同的 ADC，为这两个 ADC 提供了相同的输入，并且每个 ADC 的输出均发送到数字域中进行求和并取平均值。每个 ADC 的输入由输入信号和噪声组成。两个输出可以使用以下公式进行求和：

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}}

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

在前面的公式中，两个输入是相同的。对这些信号求和会使信号电平加倍，这相当于信号电平增加 6dB，而对不相关噪声源求和则会将噪声电平增加 1.4 倍（即 3dB）。总体而言，动态范围提高了 3dB。这个概念可以扩展到更多并联器件，从而可以进一步提高 SNR。例如，如果并联使用四个 ADC，结果是 SNR 提高 6dB。结合方程式 1（用于根据位数计算 SNR），有效位数 (ENOB) 可使用以下公式计算得出：

方程式 7.

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

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

在 SNR 提高 3dB 后，新的 ENOB 计算如下：

方程式 8.

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

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

其中，对于两个并联使用的转换器，SNR’=SNR+3。替换方程式 8 中的 SNR’ 后，便会得到以下公式。

方程式 9.

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

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

并联使用的器件数量每增加一倍，有效位数增加大约 0.5，而 SNR 将提高 3dB。

3 求和的替代方法

在同一 IC 中使用两个 ADC 或通道可获得更好的结果，因为转换器的许多参数（例如增益、增益误差、失调电压和带宽）通常都匹配良好，并且在将两个信号相加并求平均值时不会引入不必要的误差。在理论情况下，当 Vin = Vin1= Vin2时，得到的输出为 (Vin1+Vin2)/2 = Vin。但是，如果在输入中添加了共同误差，则会传递到输出。为避免这种情况，可以将一个 ADC 的其中一个输入反转，然后可以在输出端执行数字消减，而不是求和。这种方法本质上与求和方法相同，其额外优势是能够消除两个器件的任何共同误差。方程式 10 以数学方式表示了 Vin1+e 和 Vin2+e 的两个转换器输入。

方程式 10.

V o u t = \frac{(V i n 1 + e) - (V i n 2 + e)}{2}

$V o u t = \frac{(V i n 1 + e) - (V i n 2 + e)}{2}$

但是，由于 Vin2 = -Vin1，方程式 11 可以表示为以下公式，从而消除共同误差 (e)。

方程式 11.

V o u t = \frac{V i n 1 + V i n 1}{2}

$V o u t = \frac{V i n 1 + V i n 1}{2}$

使用的转换器数量每增加一倍，上述任何一种方法都可以将 SNR 提高 3dB。

4 实际结果

这里使用了德州仪器 (TI) 的 TLV320ADC6140 来演示如何提高 ADC 的动态范围和 SNR。TLV320ADC6140 具有嵌入式通道求和模式，以实现更高的 SNR。可以使用分配的寄存器 (0x6B) 为 2 个通道或 4 个通道激活此选项。本演示中启用了 4 通道求和模式，对应的数学运算公式如下： (CH1 + CH2 + CH3 + CH4) / 4。表 4-5 至表 4-8 展示了 TLV320ADC6140 2 通道求和及 4 通道求和带来的性能提升。

该模式下会以等加权方式对数字记录数据取平均值，这有助于降低等效记录噪声。

表 4-1 通过启用 2 通道求和及 DRE 带来的动态范围改进

动态范围	求和前 (dBFS)	求和后 (dBFS)	改进 (dB)
通道 1	123.25	126.54	3.29
通道 2	123.25	126.54	3.29
通道 3	123.19	126.52	3.33
通道 4	123.19	126.52	3.33

表 4-2 通过启用 4 通道求和及 DRE 带来的动态范围改进

动态范围	求和前 (dBFS)	求和后 (dBFS)	改进 (dB)
通道 1	123.25	129.52	6.3
通道 2	123.25
通道 3	123.19
通道 4	123.19

表 4-3 通过启用 2 通道求和及 DRE 带来的 SNR 改善

SNR	求和前 (dBFS)	求和后 (dBFS)	改进 (dB)
通道 1	123.25	126.25	3.00
通道 2	123.25	126.25	3.00
通道 3	123.19	126.13	2.94
通道 4	123.19	126.13	2.94

表 4-4 通过启用 4 通道求和及 DRE 带来的 SNR 改善

SNR	求和前 (dBFS)	求和后 (dBFS)	改进 (dB)
通道 1	123.25	129.16	5.94
通道 2	123.25
通道 3	123.19
通道 4	123.19

表 4-5 通过禁用 2 通道求和及 DRE 带来的动态范围改进

动态范围	求和前 (dB)	求和后 (dB)	改进 (dB)
通道 1	113.25	116.13	2.88
通道 2	113.25	116.13	2.88
通道 3	113.19	116.13	2.94
通道 4	113.19	116.13	2.94

表 4-6 通过禁用 4 通道求和及 DRE 带来的动态范围改进

动态范围	求和前 (dB)	求和后 (dB)	改进 (dB)
通道 1	113.25	118.73	5.51
通道 2	113.25
通道 3	113.19
通道 4	113.19

表 4-7 通过禁用 2 通道求和及 DRE 带来的 SNR 改善

SNR	求和前 (dB)	求和后 (dB)	改进 (dB)
通道 1	112.94	116.06	2.96
通道 2	112.94	116.06	2.96
通道 3	113.05	116.01	2.97
通道 4	113.05	116.01	2.97

表 4-8 通过禁用 4 通道求和及 DRE 带来的 SNR 改善

SNR	求和前 (dB)	求和后 (dB)	改进 (dB)
通道 1	112.94	118.99	5.92
通道 2	112.94
通道 3	113.05
通道 4	113.05

表 4-9 改善 TLV320ADCx1x0 音频 ADC 系列的器件 SNR 和动态范围的通道汇总

器件	器件 SNR/动态范围（默认） (dB)	器件 SNR/动态范围（4 通道求和） (dB)	器件 SNR/动态范围（2 通道求和） (dB)
TLV320ADC6140	使用 DRE：123dB	使用 DRE：129dB（单通道模式）	使用 DRE：126dB（立体声模式）
TLV320ADC6140	无 DRE：113dB	无 DRE：119dB（单通道模式）	无 DRE：116dB（立体声模式）
TLV320ADC5140	使用 DRE：120dB	使用 DRE：126dB（单通道模式）	使用 DRE：123dB（立体声模式）
TLV320ADC5140	无 DRE：108dB	无 DRE：114dB（单通道模式）	无 DRE：111dB（立体声模式）
TLV320ADC3140	106 dB	112dB（单通道模式）	109dB（立体声模式）
TLV320ADC6120	使用 DRE：123dB	不适用	使用 DRE：126dB（单通道模式）
TLV320ADC6120	无 DRE：113dB	不适用	无 DRE：116dB（单通道模式）
TLV320ADC5120	使用 DRE：120dB	不适用	使用 DRE：123dB（单通道模式）
TLV320ADC5120	无 DRE：108dB	不适用	无 DRE：111dB（单通道模式）
TLV320ADC3120	106 dB	不适用	109dB（单通道模式）

这些测量是在交流耦合差分线路输入的情况下进行的，在 4 通道求和情况下，动态范围和 SNR 改善了约 6dB，在 2 通道求和情况下，动态范围和 SNR 改善了约 3dB。表 4-8 中列出的音频 ADC 提供了类似的通道求和功能，并预期动态范围和 SNR 会有所改善。

5 总结

总之，并联使用的 ADC 数量每增加一倍，动态范围和 SNR 性能会提高约 3dB。德州仪器 (TI) 的 TLV320ADC6140、TLV320ADC5140、TLV320ADC3140、TLV320ADC6120、TLV320ADC5120 和 TLV320ADC3120 具有内置通道求和功能。本应用手册详细介绍了使用此内置通道求和功能提高音频 ADC 动态范围和 SNR 性能的方法。

6 参考资料

德州仪器 (TI)，TLV320ADC6140 四通道、768kHz、Burr-BrownTM 音频 ADC 数据表。
德州仪器 (TI)，TLV320ADC5140 四通道、768kHz、Burr-BrownTM 音频 ADC 数据表。
德州仪器 (TI)，TLV320ADC3140 四通道、768kHz、Burr-BrownTM 音频 ADC 数据表。
德州仪器 (TI)，TLV320ADC6120 具有 123dB SNR 的立体声通道、768kHz、Burr-Brown™ 音频模数转换器 (ADC) 数据表。
德州仪器 (TI)，TLV320ADC5120 具有 120dB SNR 的立体声通道、768kHz、Burr-Brown™ 音频模数转换器 (ADC) 数据表。
德州仪器 (TI)，TLV320ADC3120 具有 106dB SNR 的立体声通道、768kHz、Burr-Brown™ 音频模数转换器 (ADC) 数据表。
德州仪器 (TI)，PCM6xx0-Q1 具有集成麦克风偏置和输入故障诊断功能的汽车类、4 通道和 6 通道、768kHz 音频 ADC 数据表。
Electronic Products, Practical considerations for estimating SNR and SFDR, Arash, L. (2018).

7 修订历史记录

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更新了整个文档中的表格、图和交叉参考的编号格式Go
添加了已启用 DRE 的通道求和性能结果Go
仅更新了音频 ADC 的通道求和应用手册Go
添加了音频 ADC 器件型号，可利用通道求和提高 SNR 和动态范围性能Go

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