精密數據采集信號鏈的噪聲分析

　　簡(jiǎn)介

　　在很多應用中，模擬前端接收單端或差分信號，并執行所需的增益或衰減、抗混疊濾波及電平轉換，之后在滿(mǎn)量程電平下驅動(dòng)ADC輸入端。本文探討精密數據采集信號鏈的噪聲分析，并深入研究這種信號鏈的總噪聲貢獻。

　　如圖1所示，低功耗、低噪聲、全差分放大器ADA4940-1驅動(dòng)差分輸入、18位、1 MSPS PulSAR? ADC AD7982，同時(shí)低噪聲精密5 V基準電壓源ADR435用來(lái)提供ADC所需的5 V電源。此信號鏈無(wú)需額外驅動(dòng)器級和基準電壓緩沖器，簡(jiǎn)化了模擬信號調理，可節省電路板空間和成本。一個(gè)單極點(diǎn)截止頻率2.7 MHz RC(22 ?，2.7 nF)低通濾波器放在A(yíng)DC驅動(dòng)器輸出和ADC輸入之間，有助于限制ADC輸入端噪聲，并減少來(lái)自逐次逼近型(SAR) ADC輸入端容性DAC的反沖。

　　圖1.低功耗全差分18位1 MSPS數據采集信號鏈(簡(jiǎn)化示意圖：未顯示所有連接和去耦)。

　　ADA4940-1用作ADC驅動(dòng)器時(shí)，用戶(hù)可以進(jìn)行必要的信號調理，包括對信號實(shí)施電平轉換和衰減或放大，以便使用四個(gè)電阻實(shí)現更大動(dòng)態(tài)范圍，從而不再需要額外的驅動(dòng)器級。采用反饋電阻(R2 = R4)對增益電阻(R1 = R3)之比設置增益，其中R1 = R2 = R3 = R4 = 1 kΩ。

　　對于平衡差分輸入信號，等效輸入阻抗為2×增益電阻(R1或R3) = 2 kΩ，對于非平衡(單端)輸入信號，等效阻抗根據下式計算，約為1.33 kΩ

　　如果需要可以在輸入端并聯(lián)一個(gè)終端電阻。

　　ADA4940-1內部共模反饋環(huán)路強制共模輸出電壓等于施加到VOCM輸入的電壓，同時(shí)提供出色的輸出平衡。當兩個(gè)反饋系數(β1和β2)不相等時(shí)，差分輸出電壓取決于VOCM;此時(shí)，輸出幅度或相位的任何不平衡都會(huì )在輸出端產(chǎn)生不良共模成分，導致差分輸出中有冗余噪聲和失調。因此，在這種情況下(即，β1 = β2)，輸入源阻抗和R1 (R3)的組合應等于1 kΩ，以避免各輸出信號的共模電壓失配，并防止ADA4940-1的共模噪聲增加。

　　信號在印刷電路板(PCB)的走線(xiàn)以及長(cháng)電纜中傳輸時(shí)，系統噪聲會(huì )疊加到信號中，差分輸入ADC會(huì )抑制信號噪聲，并表現為一個(gè)共模電壓。

　　這款18位1 MSPS數據采集系統的預期信噪比(SNR)理論值可通過(guò)每個(gè)噪聲源(ADA4940-1、ADR435和AD7982)的和方根(RSS)計算得到。

　　ADA4940-1在100 kHz時(shí)的低噪聲性能典型值為3.9 nV/√Hz，如圖2所示。

　　圖2.ADA4940輸入電壓噪聲頻譜密度和頻率的關(guān)系。

　　必須計算差分放大器的噪聲增益，以便找到等效輸出噪聲貢獻。

　　差分放大器的噪聲增益為：

　　其中

　　以及

　　是兩個(gè)反饋系數。

　　應當考慮下列差分放大器噪聲源：

　　由于A(yíng)DA4940-1輸入電壓噪聲為3.9 nV/√Hz，其差分輸出噪聲應當為7.8 nV/√Hz。ADA4940-1數據手冊中的共模輸入電壓噪聲(eOCM)為83 nV/√Hz，因此其輸出噪聲為

　　給定帶寬條件下，R1、R2、R3和R4電阻噪聲可根據約翰遜-奈奎斯特噪聲方程計算：

　　其中kB是玻爾茲曼常數(1.38065 × 10 – 23 J/K)，T為電阻絕對溫度(開(kāi)爾文)，而R為電阻值(Ω)。

　　來(lái)自反饋電阻的噪聲為：

　　來(lái)自R1的噪聲為：

　　來(lái)自R3的噪聲為：

　　ADA4940-1數據手冊中的電流噪聲為0.81 pA/√Hz。

　　反相輸入電壓噪聲：

　　同相輸入電壓噪聲：

　　因此，來(lái)自ADA4940的等效輸出噪聲貢獻為：

　　(RC濾波器之后)的ADC輸入端總積分噪聲為：

　　AD7982的均方根噪聲可根據5 V基準電壓源情況下的典型信噪比(SNR，98 dB)計算得到。

　　根據這些數據，ADC驅動(dòng)器和ADC的總噪聲貢獻為

　　注意，本例中忽略來(lái)自ADR435基準電壓源的噪聲貢獻，因為它非常小。

　　因此，數據采集系統的理論SNR可根據下式近似計算。

　　圖3.FFT曲線(xiàn)圖，fIN = 1 kHz，FS = 1 MSPS (將ADA4940-1配置成全差分驅動(dòng)器)。

　　AD7982在1 kHz輸入信號時(shí)，SNR典型值為96.67 dB，THD典型值為-111.03 dB，如圖3中的FFT性能所示。這種情況下測得的SNR為96.67 dB，非常接近上文中的96.95 dB SNR理論估算值。數據手冊中98 dB的目標SNR的實(shí)際損耗由來(lái)自ADA4940-1差分放大器電路的等效輸出噪聲貢獻所導致。

　　針對給定應用選擇ADC驅動(dòng)器以驅動(dòng)SAR ADC時(shí)，噪聲是一個(gè)重要規格，詳細查閱帶寬、建立時(shí)間、輸入和輸出上裕量/下裕量以及功耗要求也很重要。有關(guān)驅動(dòng)高分辨率精密PulSAR ADC的推薦放大器的更多信息，請參閱ADI公司ADC驅動(dòng)器選型指南。若要設計差分放大器電路，請下載免費且直觀(guān)易用的ADI公司DiffAmpCalc?工具。

　　作者簡(jiǎn)介

　　Maithil Pachchigar是ADI公司馬薩諸塞州威明頓ADI儀器儀表、航空航天與防務(wù)業(yè)務(wù)部的應用工程師。2010年加入ADI公司以來(lái)，他致力于儀器儀表、工業(yè)、醫療健康和能源行業(yè)的精密ADC產(chǎn)品系列工作和客戶(hù)支持。自2005年以來(lái)，Maithil一直在半導體行業(yè)工作，并已發(fā)表多篇技術(shù)文章。Maithil于2003年獲印度S.V.國家技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)學(xué)士學(xué)位，2006年獲圣何塞州立大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位，

　　2010年獲硅谷大學(xué)MBA學(xué)位。聯(lián)系方式：maithil.pachchigar@analog.com。