高分辨率Δ-ΣADC中有關(guān)噪音的十大問題

本文聚焦于高分辨率信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中的噪音挑戰(zhàn)，特別是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)及其相關(guān)組件（如放大器、電壓基準(zhǔn)、時(shí)鐘和電源）產(chǎn)生的噪音對(duì)系統(tǒng)性能的影響。通過探討噪音類型、測(cè)量方法、最佳噪音參數(shù)及下降噪音的策略，旨在幫助設(shè)計(jì)者優(yōu)化ADC信號(hào)鏈的噪音性能。

——作者：Bryan Lizon

任何高分辨率信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的基本挑戰(zhàn)之一是確保系統(tǒng)本底噪音足夠低，以便模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)可以分辨您感興趣的信號(hào)。例如，如果您挑選德州儀器ADS1261(一個(gè)24位低噪音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(hào)。

但是，從系統(tǒng)的角度來看，您需要擔(dān)心的不僅僅是ADC噪音——畢竟所有組件(包括放大器、電壓基準(zhǔn)、時(shí)鐘和電源)都會(huì)產(chǎn)生一些噪音——這些器件對(duì)系統(tǒng)噪音的累積影響是什么?更重要的是，您的系統(tǒng)可以解決您感興趣的信號(hào)嗎?

為助您更好地理解系統(tǒng)噪音并將這些常識(shí)應(yīng)用到您的設(shè)計(jì)中，我最近撰寫了一篇名為“解決信號(hào)”的技術(shù)文章系列。該系列探討了典型信號(hào)鏈中的常見噪音源，并通過下降噪音和保持高精度測(cè)量的方法輔助理解。

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

1.您將在ADC中發(fā)現(xiàn)何種類型的噪音?

總ADC噪音有兩個(gè)主要組成部分：量化噪音和熱噪音。量化噪音來自將無限數(shù)量的模擬電壓映射到有限數(shù)量的數(shù)字代碼的過程(圖1左側(cè))。因此，任何單個(gè)數(shù)字輸出都可對(duì)應(yīng)于數(shù)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(dǎo)體內(nèi)電荷的物理移動(dòng)(圖1右側(cè))，熱噪音是所有電子元件中固有的現(xiàn)象。不幸的是，ADC終端用戶不可干涉器件的熱噪音，因?yàn)樗茿DC設(shè)計(jì)的一個(gè)功能。

圖 1：量化噪音(左)和熱噪音(右)

熱噪音和量化噪音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中的噪音簡(jiǎn)介了解相關(guān)信息”。

2.如何測(cè)量和指定ADC噪音?

ADC生產(chǎn)商使用兩種方法來測(cè)量ADC噪音。第一種方法將ADC的輸入短接在一起，以測(cè)量由于熱噪音造成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(bào)告ADC如何量化正弦波。圖2展示了這些類型的噪音測(cè)量。

圖 2：正弦波輸入測(cè)試設(shè)置(左)和輸入短路測(cè)試設(shè)置(右)

每類ADC使用哪種測(cè)量方法?請(qǐng)閱讀第2部分中有關(guān)噪音測(cè)量方法和規(guī)范的更多信息。

3.用于系統(tǒng)噪音分析的最佳噪音參數(shù)是多少?

對(duì)于ADC噪音分析，我建議使用輸入?yún)⒖荚胍?。我加粗此短語，因?yàn)槭褂幂斎雲(yún)⒖荚胍魜矶xADC性能并不常見。實(shí)際上，大多數(shù)工程師只談?wù)撓嚓P(guān)參數(shù)，例如有效和無噪音的分辨率，而當(dāng)他們無法最大化這些值時(shí)會(huì)深感擔(dān)憂。畢竟，如果您只是使用24位ADC來實(shí)現(xiàn)16位ADC的有效分辨率，感覺就像您在為實(shí)際不會(huì)使用的ADC性能而買單。

但是，16位ADC的有效分辨率并不一定能告知您ADC將使用多大的滿量程范圍(FSR)。也就是說，您可能只需要16位有效分辨率，但如果最小輸入信號(hào)為50 nV，則無法使用16位ADC來解決問題。因此，高分辨率Δ-ΣADC的真正好處是它可以提供的低輸入?yún)⒖荚胍羲?。這并不意味著有效的解決方案并不重要 - 只是它不是參數(shù)化系統(tǒng)的最佳方式。

第3部分使用無噪音分辨率和輸入?yún)⒖荚胍舳x系統(tǒng)噪音參數(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)一步采用這些要求。哪一種可以實(shí)現(xiàn)最快、適應(yīng)性最強(qiáng)的解決方案?閱讀文章發(fā)現(xiàn)答案。

4.什么是ENBW，為什么它很重要?

在一般信號(hào)處理術(shù)語中，濾波器的有效噪音帶寬(ENBW)是理想的實(shí)際濾波器的截止頻率fC，其噪音功率近似等于原始濾波器的噪音功率H(f)。

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

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

哪些系統(tǒng)組件對(duì)ENBW有貢獻(xiàn)?閱讀第4部分以了解更多信息。

5.您如何計(jì)算系統(tǒng)的噪音帶寬?

如果您的信號(hào)鏈有多個(gè)濾波器組件，則必須通過組合信號(hào)鏈中的所有下游濾波器來計(jì)算每個(gè)組件的ENBW。要組合濾波器，請(qǐng)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(jì)算圖4中放大器的噪音貢獻(xiàn)，您必須將放大器的帶寬與抗混疊濾波器、ADC的數(shù)字濾波器和任何后處理濾波器相結(jié)合。在這種情況下，您可忽略電磁干擾(EMI)濾波器，因?yàn)樗鄬?duì)于放大器位于上游。

圖 4：顯示多個(gè)濾波源的典型信號(hào)鏈

這可能很復(fù)雜，請(qǐng)閱讀第5部分學(xué)習(xí)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(tǒng)噪音性能?

通過將ADC和放大器與各自的噪音源分開可更輕松地進(jìn)行噪音分析。在這種情況下，您可將系統(tǒng)建模為無噪音放大器和無噪音ADC，前置條件是電壓源等于兩者的輸入?yún)⒖荚胍簦鐖D5所示。

圖5：“無噪音”ADC和放大器通過參考輸入總噪音前置

不幸的是，測(cè)得的輸出噪音必須重新參考輸入，因?yàn)檩斎雲(yún)⒖荚胍羰谴蠖鄶?shù)ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)中使用的規(guī)范。假設(shè)放大器和ADC噪音不相關(guān)，請(qǐng)采用兩個(gè)值的和方根(RSS)來確定總輸出參考噪音。您還需要通過放大器的增益GAMP來調(diào)整放大器噪音。公式1所示為得出的輸出參考噪音：

如何將其轉(zhuǎn)化為輸入?yún)⒖荚胍?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(cè)量了最終的噪音性能。然后，我使用其集成的可編程增益放大器將這些組合與ADS1261的基線噪音性能進(jìn)行了比較。為了更容易比較，我在每種組合的不同增益設(shè)置下繪制了噪音，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(shù)個(gè)見解。圖6描述了該示例。

圖 6：根據(jù)增益比較不同放大器的噪音性能與和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“放大器噪音對(duì)Δ-Σ ADC的影響”了解更多信息。

8.如何計(jì)算傳入系統(tǒng)的參考噪音量?

參考噪音最有趣的特征之一是它會(huì)隨著您使用的ADC FSR的大小呈現(xiàn)線性變化：如果輸入信號(hào)非常小，則不會(huì)觀察到太多參考噪音 - 因此可能會(huì)使用較大噪音進(jìn)行參考。或者，如果輸入信號(hào)大于中刻度，則可預(yù)期參考噪音占主導(dǎo)地位。在這種情況下，請(qǐng)始終確保ADC噪音和參考噪音具有可比性。圖7定性地繪制了作為FSR利用率函數(shù)的參考噪音、ADC噪音和總噪音。

圖7：作為FSR利用率函數(shù)的參考噪音、ADC噪音和總噪音

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(hào)與更改系統(tǒng)增益如何會(huì)影響參考噪音?在第8部分中找到這些問題的答案。

9.如何減少傳入系統(tǒng)的參考噪音量?

減少傳入系統(tǒng)的參考噪音量的一種常用方法是限制系統(tǒng)的整體ENBW，這可通過下降A(chǔ)DC的輸出數(shù)據(jù)速率來實(shí)現(xiàn)。圖8所示為下降A(chǔ)DC輸出數(shù)據(jù)速率如何同時(shí)下降A(chǔ)DC噪音和參考噪音。例如，在ENBW = 0.6 Hz(左)和ENBW = 96 Hz(右)之間，100%利用率下的參考噪音下降了2.3倍，而ADC噪音下降了10倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于總噪音。

圖 8：限制ENBW可下降總噪音：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(tǒng)的參考噪音量。

10.時(shí)鐘會(huì)影響ADC的噪音性能嗎?

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都運(yùn)行時(shí)鐘邊沿來控制采樣點(diǎn)，因此時(shí)鐘邊沿變化會(huì)在采樣實(shí)例中產(chǎn)生偏差。該偏差造成在轉(zhuǎn)換結(jié)果中出現(xiàn)的非恒定采樣頻率成為另一噪音源。圖9所示為正弦輸入信號(hào)上的時(shí)鐘抖動(dòng)引起的采樣邊沿變化。

圖 9：時(shí)鐘信號(hào)顯示由抖動(dòng)引起的采樣邊沿變化

了解時(shí)鐘如何造成其他故障，以及下降因時(shí)鐘抖動(dòng)引起的系統(tǒng)噪音的方法，請(qǐng)閱讀第10部分。

雖然這些是“解決信號(hào)”系列中回答的一些最重要的問題，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(hào)鏈中獲得最佳噪音性能。閱讀該系列以了解更多信息。如果您有任何其他問題，請(qǐng)隨時(shí)在下方發(fā)表評(píng)論。