電壓基準噪聲對于增量-累加ADC分辨率的影響

　　你評估過(guò)一個(gè)ADC的噪聲性能，并且發(fā)現測得的性能不同于器件數據表中所給出的額定性能嗎？在高精度數據采集系統中實(shí)現高分辨率需要對模數轉換器 （ADC） 噪聲有一定的認識和了解。有必要了解數據表如何指定噪聲性能，以及外部噪聲源對總體系統性能的影響方式。其中的一個(gè)噪聲源示例就是我的同事Ryan Andrews在他的博文，“小心！你的ADC的性能也許只和它的電源性能差不多。”中所談到過(guò)的電源噪聲。在這篇博文中，我將會(huì )看一看基準噪聲如何影響增量-累加ADC中的DC噪聲性能。

　　如圖1所示，你可以用短接至中電源電壓的正負輸入來(lái)指定和測量一個(gè)ADC的DC噪聲性能。通過(guò)測量這個(gè)條件下的噪聲，ADC輸出代碼內的噪聲幾乎不受基準電壓、基準噪聲或輸入信號噪聲變化的影響。雖然這個(gè)測試條件相對于實(shí)際應用來(lái)說(shuō)是一個(gè)過(guò)于理想的情況，它的確較好地給出了一個(gè)不受某些外部噪聲源影響的ADC噪聲性能。

　　圖1：ADC噪聲性能測試（和調試）配置

　　提示：調試時(shí)，在開(kāi)始其它系統噪聲性能測試之前，用評估隔離式ADC噪聲性能的短接輸入測試來(lái)開(kāi)始評估系統的噪聲性能。

　　基準噪聲如何影響ADC DC噪聲性能

　　這個(gè)影響與ADC的基本任務(wù)相關(guān)；而ADC的基本任務(wù)就是提供一個(gè)輸出代碼，來(lái)表示輸入信號電壓與基準電壓的比率。輸入和基準電壓都會(huì )將一個(gè)噪聲項添加到這個(gè)比率中，如方程式1所示：

　　（1）

　　輸入信號噪聲，，對于A(yíng)DC轉換結果的影響是非常直接的。ADC將捕捉未被濾除掉的任何噪聲—使用外部電阻-電容 （RC） 濾波器，或者增量-累加ADC的信號濾波器進(jìn)行過(guò)濾。由于對于方程式1中的比率有直接影響，你可以在輸出代碼中進(jìn)行觀(guān)察。

　　提示：在評估ADC噪聲性能時(shí)，由于輸入信號的噪聲直接影響ADC的輸出結果，請確保輸入信號是一個(gè)低噪聲源。

　　然而，基準噪聲，，對于A(yíng)DC轉換結果的影響并不直接，這是因為出現在分母中。當分子為零時(shí)（就與ADC輸入被短接的情況一樣），這個(gè)比率始終為零，而項將不會(huì )影響比率。當分子與分母大體相等時(shí)，將會(huì )對比率有很大的影響。當比率介于0和1之間時(shí)，的影響由比率值來(lái)衡量。圖2顯示的是得出的特性運行方式。

　　圖2：ADC和基準噪聲與輸入電壓之間的關(guān)系

　　當通過(guò)使用均方根增加的方法將基準噪聲添加到ADC的噪聲中時(shí)，這個(gè)組合噪聲是輸入電壓的函數，它會(huì )在正或負輸入電壓變大時(shí)增加。在圖2中的曲線(xiàn)上，有幾個(gè)點(diǎn)需要注意：

　　點(diǎn)A，這是用ADC數據表中給出的短接輸入測得的ADC噪聲。

　　點(diǎn)B，這是總帶寬限制基準噪聲，通常受到ADC數字濾波器帶寬的限制。

　　如果你知道針對噪聲源的噪聲頻譜密度和噪聲帶寬的話(huà)，你就能夠計算出基準噪聲（點(diǎn)B）；否則的話(huà)，將一個(gè)滿(mǎn)量程電壓輸入施加到ADC上，并且測量噪聲性能，這樣通常能夠獲得一個(gè)比較好的基準噪聲測量值。

　　如何選擇一個(gè)基準電壓源

　　對于在整個(gè)ADC輸入范圍內實(shí)現低噪聲/高分辨率性能來(lái)說(shuō)，一個(gè)低噪聲基準十分重要?；鶞试肼曅枨髮⑷Q于系統的目標分辨率、輸入信號范圍和數據速率（而這通常限制了輸入和基準噪聲帶寬）。當噪聲帶寬受到較慢數據速率限制時(shí)，或者輸入信號跨度被限制在A(yíng)DC滿(mǎn)量程范圍內的一個(gè)較小區間內，系統能夠耐受額外的基準噪聲。

　　很多增量-累加ADC包含一個(gè)集成基準，它為大多數應用提供了充足的性能。對于要求更加嚴格的應用，使用一個(gè)外部基準也許可以提升輸入處于正和負滿(mǎn)量程范圍附近時(shí)的噪聲性能。外部高精度基準可以實(shí)現更低的噪聲性能，這是因為它們的功耗更高。圖3將24位ADS1259增量-累加ADC的噪聲性能與內部基準源、一個(gè)外部REF5025電壓源，以及一個(gè)比例換算的基準源進(jìn)行比較。

　　圖3：具有內部、外部和比例換算基準源的ADS1259噪聲性能

　　雖然外部基準也許能夠實(shí)現比集成基準更好的噪聲性能，而比例換算基準配置的表現更佳。一個(gè)比例換算配置在基準電壓和輸入信號激勵方面共用同樣的電壓源。通過(guò)共用一個(gè)共同的電壓和噪聲源，方程式1中的和往往在比率中相互抵消。

　　當你下次評估ADC的噪聲性能時(shí)，請確保將基準噪聲效應考慮在內。此外，只要傳感器需要一個(gè)激勵源，比例換算測量實(shí)現方式應該成為你的首選。