解析信號第9部分：降低高分辨率Delta-Sigma ADC電路中的參考噪聲

第9部分分析了幾種不同的降低系統參考噪聲影響的方法，并分析了參考噪聲對低分辨率和高分辨率adc影響的差異。

在解析信號系列的第8部分討論了模數轉換器（ADC）噪聲與參考噪聲的關(guān)系，推導了參考噪聲的計算公式，確定了增益對系統參考噪聲水平的影響。

在第9部分中，我將通過(guò)分析幾種不同的方法來(lái)總結參考噪聲對整個(gè)系統的影響。我還將研究參考噪聲對低分辨率和高分辨率adc的影響。

正如我在第8部分中所討論的，進(jìn)入數據采集系統的參考噪聲量取決于參考源的噪聲性能以及滿(mǎn)標度范圍（FSR）的利用率。為了證明這種對利用率的依賴(lài)性，我繪制了ADC噪聲、參考噪聲和總噪聲作為滿(mǎn)標度利用率（輸入電壓）的函數，假設參考電壓為2.5V。圖1顯示了使用德州儀器（TI）的這種關(guān)系圖ADS1261，一個(gè)帶有集成可編程增益放大器（PGA）的24位delta-sigma ADC。

圖1 ADC噪聲、參考噪聲和有效分辨率與FSR利用率的關(guān)系

如第8部分所述，參考噪聲開(kāi)始以40%的利用率控制系統的總噪聲，從而抵消了高分辨率ADC提供的噪聲效益。為了幫助緩解這一問(wèn)題并實(shí)現精確系統，有三種技術(shù)可以幫助降低參考噪聲并利用delta-sigma adc的降噪優(yōu)勢。

降低進(jìn)入系統的參考噪聲水平最明顯的方法之一是選擇噪聲較小的基準電壓源。這有助于減少圖1中紅色條的級別，并擴展有用的FSR使用限制。

然而，正如我在第8部分中所建議的，對于任何給定的輸入信號，要注意將參考噪聲電平與ADC噪聲電平相匹配。例如，如果使用ADS1261對2.5V輸入信號進(jìn)行采樣，則只能使用1V/V的增益。在這些情況下，由于FSR的利用率很高，選擇噪聲比REF6025低的基準電壓對整個(gè)系統的噪聲影響很?。▓D1）。

另一種可能降低參考噪聲影響的方法是提高參考電壓，因為這會(huì )影響利用率的變化。例如，將參考電壓加倍可將利用率降低2倍。然而，這種方法僅在參考噪聲沒(méi)有按比例增加的情況下提供系統噪聲效益，但情況并非總是如此。許多離散電壓參考系族規定噪聲單位為微伏每伏，因為參考噪聲與參考電壓成線(xiàn)性關(guān)系。在這種情況下，基準電壓加倍也會(huì )使參考噪聲加倍，盡管利用率降低，但不會(huì )產(chǎn)生系統噪聲效益。

減少傳入系統的參考噪聲量的第三種選擇是限制總體有效噪聲帶寬（ENBW）。限制ENBW的一種方法是降低抗混疊或參考濾波器截止頻率。然而，由于C0G的低電壓和溫度系數，德克薩斯儀器公司建議使用C0G型電容器作為輸入信號路徑濾波器。信號鏈設計中使用的典型C0G電容器最多只能使用10-15nF，這就限制了抗混疊濾波器截止值的下限。相反，由于電壓參考的直流輸出電壓幾乎恒定，參考濾波器可能采用更高電容的X7R型電容器。對于每種濾波器類(lèi)型，使用低漂移、低阻抗電阻器（<10k?), 因為電阻的熱噪聲隨著(zhù)阻抗的增加而增加，并可能開(kāi)始主導信號鏈噪聲。

降低系統ENBW的更常見(jiàn)方法是降低ADC的輸出數據速率。圖2顯示了降低ADC的輸出數據速率如何同時(shí)降低ADC和參考噪聲。例如，在ENBW=96Hz（左）和ENBW=0.6Hz（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，導致總噪聲大大降低。

圖2 限制ENBW可降低總噪聲：0.6Hz（左）、24Hz（中）、96Hz（右）

雖然這三種方法可以在許多應用中降低參考噪聲，但其他系統可能有固定的參數-例如穩定時(shí)間或傳感器輸出電壓-使得這些技術(shù)更難使用。在這種情況下，可以通過(guò)選擇適當的參考配置來(lái)減少傳入系統的參考噪聲量：內部、外部或比率。

精密ADC通常包括集成精密電壓基準，通常適用于許多應用。集成參考消除了外部參考所增加的成本、面積和功耗。然而，一般來(lái)說(shuō)，與精密外部基準相比，內部參考系的功率較低，可能具有更高的噪聲和更高的漂移，因此不太適合某些高精度和高精度系統。

圖3顯示了ADS1261在使用集成電壓基準作為測量參考源時(shí)測量電阻電橋。

圖3用ADS1261內部基準測量電阻電橋

如果集成參考電壓的規格不夠，而ADC允許使用外部參考源，則可以選擇外部參考源。與集成參考相比，外部參考通常受益于較低的噪聲和更好的漂移參數。這種性能的提高是以更高的功耗、額外的成本和增加的印刷電路板（PCB）面積為代價(jià)的。另外，由于A(yíng)DC和基準電壓不共用同一個(gè)芯片，它們的溫度漂移規范可能不再相關(guān)；這是一個(gè)綜合參考案例。因此，ADC和基準可以獨立地向相反的方向漂移，從而導致更大的誤差。為避免此問(wèn)題，請將兩個(gè)設備連接到一個(gè)良好的、導熱的接地層上。

將ADC連接到外部參考源時(shí)，一個(gè)有用的提示是將ADC的負外部參考輸入（REFN）路由回外部參考的接地引腳，而不是將REFN直接連接到PCB的接地平面。這就形成了一個(gè)“星形”接地連接，有助于避免接地層噪聲在負參考輸入上拾取，并保持精確的測量結果。

圖4顯示了與圖3相同的電阻橋連接圖，但使用的是REF6025電壓基準，而不是ADS1261的內部基準。

圖4 使用ADS1261和外部基準測量電阻電橋（參考文獻6025）

如果需要傳感器激勵，例如測量電阻電橋或電阻溫度檢測器（RTD），則使用比例測量配置。此配置對模擬輸入和參考電壓使用相同的激勵源。因此，激勵源中的任何噪聲或漂移都會(huì )對測量和基準產(chǎn)生同樣的影響。由于A(yíng)DC輸出代碼是輸入與基準的比值，激勵源噪聲和漂移趨于抵消，從而導致噪聲性能更接近短路輸入情況。一般來(lái)說(shuō)，與其他兩種配置相比，這種配置產(chǎn)生的總噪聲量最低。

比例基準的主要缺點(diǎn)是它只能用于需要傳感器激勵的應用場(chǎng)合。因此，如果系統不需要傳感器激勵，則必須從其他兩個(gè)參考配置選項中選擇一個(gè)。

圖5顯示了與圖3和圖4中相同的電路，但具有比率參考配置。請注意5V電橋激勵電壓如何也用作ADS1261的外部差分參考電壓（REFP-REFN）。

圖5 用ADS1261和比例基準測量電阻電橋

到目前為止，我已經(jīng)做了定性的聲明，比率參考比外部參考提供更好的噪聲性能，外部參考比內部參考提供更好的噪聲性能。如果你看一下TI的24位數據表ADS1259從數量上看，這是真的。圖6顯示了ADS1259數據表中的一個(gè)圖，其中包括所有三種配置的測量噪聲性能。

圖6 比較了ADS1259與內部、外部和比率基準配置的總噪聲增量

VIN=0V時(shí)，圖6中的曲線(xiàn)圖顯示ADS1259的固有噪聲約為0.5μVRMS。在100%利用率（VIN=±2.5V）下，內部參考將該基線(xiàn)噪聲增加400%至2.5μVRMS，而外部參考5025將總噪聲增加150%至1.25μVRMS。將這些曲線(xiàn)與幾乎平坦的比率參考曲線(xiàn)進(jìn)行比較，在利用率為100%時(shí)，總噪聲僅增加50%。此配置允許您使用ADS1259的整個(gè)FSR，而不會(huì )顯著(zhù)增加總噪聲，從而獲得最佳的整體系統噪聲性能。

你能把這些結論同樣地應用于所有的delta-sigma adc嗎？到目前為止，在本系列中，我已經(jīng)分析了24位和32位轉換器，以更好地了解電壓參考噪聲如何影響這些設備的性能。一般來(lái)說(shuō)，這些高分辨率ADC提供非常低的噪聲，因此任何參考噪聲都會(huì )對系統噪聲產(chǎn)生顯著(zhù)影響。參考噪聲如何影響低分辨率ADC？

您可以將用于測量參考噪聲對高分辨率adc的影響的原理應用到低分辨率adc。使用前面示例中的相同設置，讓我們將REF6025連接到具有不同分辨率的ADC上，并在100%利用率下測量總噪聲。圖7描述了這個(gè)設置。

圖7 使用ADS1262和REF6025進(jìn)行系統設置

讓我們選擇八個(gè)具有不同分辨率的ADC作為圖7中的n位ADC。表1提供了每個(gè)ADC的基線(xiàn)噪聲信息作為其分辨率的函數。

表1.按ADC分辨率劃分的固有ADC噪聲

正如我在系列文章的第一部分, 量化噪聲通?？刂频头直媛蔄DC的總噪聲（<16位），因此其值對應于最低有效位（LSB）大小。相反，由于高分辨率ADC中的熱噪聲相對較大，18、24和32位ADC噪聲大于相應的LSB大小。

為了計算ADC和參考電壓的組合噪聲，取每個(gè)分量噪聲的平方根（RSS），因為我假設100%的利用率。表2包括兩個(gè)組件的總噪聲，以及與僅ADC噪聲相比噪聲增加的百分比。

增加ADC和總噪聲的百分比

對比度較高的ADC和ADC-2之間的對比度有較高的對比度。高達大約16位電平（表2中紅色突出顯示的單元格），REF6025的噪聲實(shí)際上對系統的總噪聲沒(méi)有影響，即使在100%的利用率下也是如此。在這些情況下，ADC量化噪聲的高電平超過(guò)參考噪聲的較低電平。因此，低噪聲外部參考在這里提供的好處很少，特別是與增加的系統成本和尺寸相比。事實(shí)上，許多低分辨率的adc不包括外部參考輸入，而是依賴(lài)于一個(gè)集成的基準甚至是電源電壓來(lái)執行這個(gè)功能。

然而，這并不意味著(zhù)在使用較低分辨率的adc時(shí)，您不必擔心參考噪聲。累積效應取決于特定參考電壓的噪聲、系統帶寬和利用率。我建議執行一些快速計算，以確定任何外部組件可能對系統產(chǎn)生的一般影響。

參考噪聲對18位、24位和32位高分辨率ADC（表2中藍色突出顯示的單元格）的影響更大。所有這些ADC都經(jīng)歷了相對于A(yíng)DC本身的噪聲的顯著(zhù)增加。隨著(zhù)ADC分辨率的提高，這個(gè)結果更加明顯，32位ADC由于僅參考噪聲而經(jīng)歷了難以置信的553%的噪聲增加。在更高的分辨率水平上，使用本文概述的降噪方法并選擇適當的參考配置對于保持測量精度至關(guān)重要。

在解析信號的第10部分中，我將討論時(shí)鐘如何影響精度ADC。

以下是一些要點(diǎn)的總結，有助于更好地理解電壓基準噪聲如何影響delta-sigma-adc：

• 降低參考噪聲：使用低噪聲基準減少你的ENBW增加參考電壓（只要參考噪聲不成比例增加）使用比例配置

• 通過(guò)選擇提供與ADC噪聲性能類(lèi)似的參考噪聲性能的參考配置，優(yōu)化系統噪聲性能。