高分辨率Δ-ΣADC中有關(guān)噪聲的十大問(wèn)題

　　任何高分辨率信號鏈設計的基本挑戰之一是確保系統本底噪聲足夠低，以便模數轉換器(ADC)能夠分辨您感興趣的信號。例如，如果您選擇德州儀器ADS1261(一個(gè)24位低噪聲Δ-ΣADC)，您可在2.5 SPS下解析輸入低至6 nVRMS，增益為128 V / V的信號。

　　但是，從系統的角度來(lái)看，您需要擔心的不僅僅是ADC噪聲——畢竟所有組件(包括放大器、電壓基準、時(shí)鐘和電源)都會(huì )產(chǎn)生一些噪聲——這些器件對系統噪聲的累積影響是什么?更重要的是，您的系統能夠解決您感興趣的信號嗎?

　　為助您更好地理解系統噪聲并將這些知識應用到您的設計中，我最近撰寫(xiě)了一篇名為“解決信號”的技術(shù)文章系列。該系列探討了典型信號鏈中的常見(jiàn)噪聲源，并通過(guò)降低噪聲和保持高精度測量的方法輔助理解。

　　以下是該系列中10個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題和答案，可幫助您開(kāi)始使用精密ADC進(jìn)行設計。

　　1.您將在A(yíng)DC中發(fā)現何種類(lèi)型的噪聲?

　　總ADC噪聲有兩個(gè)主要組成部分：量化噪聲和熱噪聲。量化噪聲來(lái)自將無(wú)限數量的模擬電壓映射到有限數量的數字代碼的過(guò)程(圖1左側)。因此，任何單個(gè)數字輸出都可對應于數個(gè)模擬輸入電壓，這些電壓可能相差一半的最低有效位(LSB)。

　　由于電導體內電荷的物理移動(dòng)(圖1右側)，熱噪聲是所有電子元件中固有的現象。不幸的是，ADC終端用戶(hù)不能干涉器件的熱噪聲，因為它是ADC設計的一個(gè)功能。

　　圖 1：量化噪聲(左)和熱噪聲(右)

　　熱噪聲和量化噪聲是否同樣影響低分辨率和高分辨率ADC?閱讀第1部分“Δ-Σ ADC中的噪聲簡(jiǎn)介了解相關(guān)信息”。

　　2.如何測量和指定ADC噪聲?

　　ADC制造商使用兩種方法來(lái)測量ADC噪聲。第一種方法將ADC的輸入短接在一起，以測量由于熱噪聲導致的輸出代碼的微小變化。第二種方法涉及輸入具有特定幅度和頻率的正弦波(例如1kHz下為1 VPP)并報告ADC如何量化正弦波。圖2展示了這些類(lèi)型的噪聲測量。

　　圖 2：正弦波輸入測試設置(左)和輸入短路測試設置(右)

　　每類(lèi)ADC使用哪種測量方法?請閱讀第2部分中有關(guān)噪聲測量方法和規范的更多信息。

　　3.用于系統噪聲分析的最佳噪聲參數是多少?

　　對于A(yíng)DC噪聲分析，我建議使用輸入參考噪聲。我加粗此短語(yǔ)，因為使用輸入參考噪聲來(lái)定義ADC性能并不常見(jiàn)。實(shí)際上，大多數工程師只談?wù)撓嚓P(guān)參數，例如有效和無(wú)噪聲的分辨率，而當他們無(wú)法最大化這些值時(shí)會(huì )深感擔憂(yōu)。畢竟，如果您只是使用24位ADC來(lái)實(shí)現16位ADC的有效分辨率，感覺(jué)就像您在為實(shí)際不會(huì )使用的ADC性能而買(mǎi)單。

　　但是，16位ADC的有效分辨率并不一定能告知您ADC將使用多大的滿(mǎn)量程范圍(FSR)。也就是說(shuō)，您可能只需要16位有效分辨率，但如果最小輸入信號為50 nV，則無(wú)法使用16位ADC來(lái)解決問(wèn)題。因此，高分辨率Δ-ΣADC的真正好處是它能夠提供的低輸入參考噪聲水平。這并不意味著(zhù)有效的解決方案并不重要 - 只是它不是參數化系統的最佳方式。

　　第3部分使用無(wú)噪聲分辨率和輸入參考噪聲定義系統噪聲參數的設計實(shí)例進(jìn)一步采用這些要求。哪一種能夠實(shí)現最快、適應性最強的解決方案?閱讀文章發(fā)現答案。

　　4.什么是ENBW，為什么它很重要?

　　在一般信號處理術(shù)語(yǔ)中，濾波器的有效噪聲帶寬(ENBW)是理想的實(shí)際濾波器的截止頻率fc，其噪聲功率近似等于原始濾波器的噪聲功率H(f)。

　　作為類(lèi)比，您可考慮一下在寒冷的夜晚您家中的情況。為降低能源成本并節省資金，您需要盡可能地關(guān)閉門(mén)窗以限制進(jìn)入的冷空氣量。在這種情況下，您的家是系統，您的門(mén)窗是濾波器，冷空氣是噪聲，ENBW是衡量您的門(mén)窗是如何打開(kāi)(或關(guān)閉)的。間隙越大(ENBW)，進(jìn)入家中(系統)的冷空氣(噪聲)越多，反之亦然，如圖3所示。

　　圖 3：寬ENBW會(huì )產(chǎn)生更多噪聲(左);窄ENBW產(chǎn)生更少噪聲(右)

　　哪些系統組件對ENBW有貢獻?閱讀第4部分以了解更多信息。

　　5.您如何計算系統的噪聲帶寬?

　　如果您的信號鏈有多個(gè)濾波器組件，則必須通過(guò)組合信號鏈中的所有下游濾波器來(lái)計算每個(gè)組件的ENBW。要組合濾波器，請將它們繪制為幅度(以分貝為單位)與頻率的關(guān)系，然后逐點(diǎn)添加。

　　例如，要計算圖4中放大器的噪聲貢獻，您必須將放大器的帶寬與抗混疊濾波器、ADC的數字濾波器和任何后處理濾波器相結合。在這種情況下，您可忽略電磁干擾(EMI)濾波器，因為它相對于放大器位于上游。

　　圖 4：顯示多個(gè)濾波源的典型信號鏈

　　這可能很復雜，請閱讀第5部分學(xué)習ENBW近似方法以簡(jiǎn)化分析。

　　6.如果將外部放大器添加到ADC的輸入端，這會(huì )如何影響系統噪聲性能?

　　通過(guò)將ADC和放大器與各自的噪聲源分開(kāi)可更輕松地進(jìn)行噪聲分析。在這種情況下，您可將系統建模為無(wú)噪聲放大器和無(wú)噪聲ADC，前置條件是電壓源等于兩者的輸入參考噪聲，如圖5所示。

　　圖5：“無(wú)噪聲”ADC和放大器通過(guò)參考輸入總噪聲前置

　　不幸的是，測得的輸出噪聲必須重新參考輸入，因為輸入參考噪聲是大多數ADC數據手冊中使用的規范。假設放大器和ADC噪聲不相關(guān)，請采用兩個(gè)值的和方根(RSS)來(lái)確定總輸出參考噪聲。您還需要通過(guò)放大器的增益GAMP來(lái)調整放大器噪聲。公式1所示為得出的輸出參考噪聲：

　　如何將其轉化為輸入參考噪聲?增益比例因子GAMP的后果是什么?閱讀第6部分以了解相關(guān)信息。

　　7.是否存在增益過(guò)多的情況?

　　在第七系列文章中，我查看了一個(gè)示例，該示例在ADS1261的輸入端添加了多個(gè)外部放大器，并測量了最終的噪聲性能。然后，我使用其集成的可編程增益放大器將這些組合與ADS1261的基線(xiàn)噪聲性能進(jìn)行了比較。為了更容易比較，我在每種組合的不同增益設置下繪制了噪聲，這提供了有關(guān)將外部放大器添加到精密ADC如何影響性能以及性能如何隨增益變化的數個(gè)見(jiàn)解。圖6描述了該示例。

　　圖 6：根據增益比較不同放大器的噪聲性能與和ADS1261的關(guān)系

　　這個(gè)示例和圖6圖表有哪些關(guān)鍵要點(diǎn)?閱讀第7部分“放大器噪聲對Δ-Σ ADC的影響”了解更多信息。

　　8.如何計算傳入系統的參考噪聲量?

　　參考噪聲最有趣的特征之一是它會(huì )隨著(zhù)您使用的ADC FSR的大小呈現線(xiàn)性變化：如果輸入信號非常小，則不會(huì )觀(guān)察到太多參考噪聲 - 因此可能會(huì )使用較大噪聲進(jìn)行參考?；蛘?，如果輸入信號大于中刻度，則可預期參考噪聲占主導地位。在這種情況下，請始終確保ADC噪聲和參考噪聲具有可比性。圖7定性地繪制了作為FSR利用率函數的參考噪聲、ADC噪聲和總噪聲。

　　圖7：作為FSR利用率函數的參考噪聲、ADC噪聲和總噪聲

　　這個(gè)圖上的關(guān)鍵點(diǎn) - A、B和C代表什么?更改輸入信號與更改系統增益如何會(huì )影響參考噪聲?在第8部分中找到這些問(wèn)題的答案。

　　9.如何減少傳入系統的參考噪聲量?

　　減少傳入系統的參考噪聲量的一種常用方法是限制系統的整體ENBW，這可通過(guò)降低ADC的輸出數據速率來(lái)實(shí)現。圖8所示為降低ADC輸出數據速率如何同時(shí)降低ADC噪聲和參考噪聲。例如，在ENBW = 0.6 Hz(左)和ENBW = 96 Hz(右)之間，100%利用率下的參考噪聲降低了2.3倍，而ADC噪聲降低了10倍，遠遠少于總噪音。

　　圖 8：限制ENBW可降低總噪聲：0.6 Hz(左)、24 Hz(中)、96 Hz(右)

　　閱讀第9部分了解參考配置如何減少傳入系統的參考噪聲量。

　　10.時(shí)鐘會(huì )影響ADC的噪聲性能嗎?

　　雖然我們期望ADC的采樣周期完全恒定，但總會(huì )有一些與理想值的偏差?！皶r(shí)鐘抖動(dòng)”是指時(shí)鐘波形從一個(gè)周期到下一個(gè)周期的邊沿變化。由于所有ADC都使用時(shí)鐘邊沿來(lái)控制采樣點(diǎn)，因此時(shí)鐘邊沿變化會(huì )在采樣實(shí)例中產(chǎn)生偏差。該偏差導致在轉換結果中出現的非恒定采樣頻率成為另一噪聲源。圖9所示為正弦輸入信號上的時(shí)鐘抖動(dòng)引起的采樣邊沿變化。

　　圖 9：時(shí)鐘信號顯示由抖動(dòng)引起的采樣邊沿變化

　　了解時(shí)鐘如何導致其他故障，以及降低因時(shí)鐘抖動(dòng)引起的系統噪聲的方法，請閱讀第10部分。

　　雖然這些是“解決信號”系列中回答的一些最重要的問(wèn)題，但我還介紹了更多主題和示例，以幫助您從高分辨率Δ-Σ ADC信號鏈中獲得最佳噪聲性能。