分析和求解高精度ADC信號(hào)鏈中的固定頻率雜散問(wèn)題

目前的高分辨率SAR ADC和Σ-Δ型ADC提供高分辨率和低噪聲，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的額定SNR性能。實(shí)現(xiàn)最佳SFDR可能更加困難，即系統(tǒng)信號(hào)鏈中沒(méi)有雜散的清晰本底噪聲。雜散可能是由ADC周圍的不當(dāng)電路引入的，也可能是在惡劣工作環(huán)境中發(fā)生的外部干擾的結(jié)果。

本文將介紹在高分辨率、精密ADC應(yīng)用中確定雜散問(wèn)題根本原因的方法，并提出解決這些問(wèn)題的解決方案。這些技術(shù)和方法將有助于提高終端系統(tǒng)的EMC能力和可靠性。

本文將介紹用于減少雜散的特定設(shè)計(jì)解決方案的五個(gè)不同應(yīng)用案例：

由控制器板的DC-DC電源輻射引起的雜散問(wèn)題。

通過(guò)外部基準(zhǔn)電壓源的AC-DC適配器噪聲引起的雜散問(wèn)題。

由模擬輸入電纜引起的雜散問(wèn)題。

模擬輸入電纜上耦合的干擾引起的雜散問(wèn)題。

由房間照明引起的刺激問(wèn)題。

馬刺和SFDR

眾所周知，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）表示可以與大干擾信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)的最小功率信號(hào)。對(duì)于當(dāng)前的高分辨率、精密ADC，SFDR通常由基波頻率與目標(biāo)基頻的二次或三次諧波之間的動(dòng)態(tài)范圍決定。但是，由于系統(tǒng)的其他方面，可能會(huì)出現(xiàn)雜散并限制性能。

雜散可分為輸入頻率相關(guān)雜散和固定頻率雜散。輸入頻率相關(guān)雜散與諧波或非線性性能有關(guān)。本文將重點(diǎn)介紹由電源、外部基準(zhǔn)電壓源、數(shù)字接口、外部干擾等引起的固定頻率雜散。根據(jù)應(yīng)用的不同，可以減少或完全避免這些類型的雜散，以幫助實(shí)現(xiàn)最大的信號(hào)鏈性能。

板載DC-DC電源噪聲引起的雜散問(wèn)題

通常，LDO是用于為精密測(cè)量系統(tǒng)中的精密ADC生成低噪聲電源軌的推薦解決方案，因?yàn)镈C-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的紋波噪聲較高。固定頻率或脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器提供的開(kāi)關(guān)紋波通常為數(shù)十kHz至幾MHz的固定頻率。固定頻率下的噪聲可以通過(guò)ADC的PSRR機(jī)制饋入ADC轉(zhuǎn)換代碼。

由于預(yù)算或電路板空間有限，一些設(shè)計(jì)人員可能會(huì)將DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器用于精密ADC應(yīng)用。他們必須限制紋波噪聲或使用具有高PSRR的ADC，以確保紋波噪聲低于ADC本底噪聲，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)鏈性能。否則，ADC輸出頻譜中的開(kāi)關(guān)頻率可能存在雜散，這可能會(huì)降低信號(hào)鏈動(dòng)態(tài)范圍。

AD7616是一款16位DAS，支持16個(gè)通道的雙路同步采樣，用于電力線監(jiān)控。它具有非常高的PSRR，可以很好地抑制/衰減開(kāi)關(guān)紋波。例如，AD7616采用DC-DC開(kāi)關(guān)電源，在100 kHz時(shí)紋波噪聲為100 mV抄送5 V，輸入范圍±10 V。

紋波噪聲引起的數(shù)字碼噪聲為：

對(duì)于16位轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，ADC輸出中顯示的紋波水平極低。ADC中的高PSRR性能使得在精密測(cè)量系統(tǒng)中使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器成為可能。

圖1.AD7616 PSRR與紋波頻率的關(guān)系

直流-直流電源輻射引起的雜散問(wèn)題

使用高PSRR ADC并不能確保開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器不會(huì)在精密測(cè)量系統(tǒng)中引起問(wèn)題。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的紋波噪聲可以通過(guò)其他方式饋入ADC的數(shù)字代碼。

AD4003是一款低噪聲、低功耗、高速18位、2 MSPS精密逐次逼近寄存器（SAR）ADC。在EVAL-AD4003FMCZ評(píng)估板交流性能測(cè)試期間，在277.5 kHz左右發(fā)現(xiàn)了約–115 dBFS水平的雜散;雜散及其二次諧波如圖2所示。

圖2.EVAL-AD4003FMCZ評(píng)估板上的雜散問(wèn)題。

首先，確認(rèn)AD4003電源沒(méi)有引起雜散。

然后，進(jìn)行測(cè)試以確定雜散是否來(lái)自模擬輸入。

當(dāng)差分模擬輸入調(diào)理電路被移除時(shí)，雜散會(huì)降低。

在緩沖放大器ADA4807-1的前端插入窄帶寬RC濾波器（如1 kΩ、10 nF）時(shí)，雜散會(huì)降低。

這些結(jié)果表明，引起雜散的噪聲可能會(huì)穿過(guò)調(diào)理電路并進(jìn)入AD4003的模擬輸入。接下來(lái)，斷開(kāi)傳感器輸出并移除調(diào)節(jié)電路，只留下V裁判ADA4807-1同相輸入端的CM電壓輸入/2然而，馬刺仍然處于類似的水平。

然后懷疑干擾源位于EVAL-AD4003FMCZ信號(hào)鏈周圍。為了證明這一點(diǎn)，在EVAL-AD4003FMCZ板和控制器SDP-H1板上的不同位置放置了銅箔屏蔽。確定當(dāng)銅箔屏蔽層放置在SDP-H1板上的DC-DC電源上時(shí)，如圖3所示，雜散將消失。277.5 kHz的雜散頻率與ADP2323穩(wěn)壓器的編程開(kāi)關(guān)頻率相匹配。圖4顯示了EVAL-AD7616SDZ GUI FFT捕獲的3.3 V VADJ_FMC開(kāi)關(guān)頻率功率。

圖3.VADJ_FMC電感器L5由銅箔屏蔽層覆蓋。

圖4.VADJ_FMC EVAL-AD7616SDZ GUI FFT捕獲的3.3 V開(kāi)關(guān)紋波。

得出的結(jié)論是，DC-DC開(kāi)關(guān)頻率干擾是由8.2 μH電感L5發(fā)射的。干擾被注入緩沖放大器ADA4807-1輸入端的信號(hào)鏈，然后進(jìn)入AD4003 ADC的模擬輸入端。

DC-DC電源轉(zhuǎn)換器引起的這種雜散問(wèn)題的可能解決方案是：

在應(yīng)用帶寬允許的情況下，使用AD4003 ADC前端的低通濾波器將耦合DC-DC開(kāi)關(guān)頻率干擾衰減到滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的水平（即，埋入本底噪聲中的雜散）。

使用新的 SDP-H1 板 （BOM 修訂版 1.4），該板使用 L5 屏蔽電感器。輻射干擾功率降低，因此AD4003 ADC頻譜中捕獲的雜散要低得多。

VADJ_FMC電壓電平可通過(guò)EVAL-AD4003FMCZ板上的EEPROM進(jìn)行編程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用較低的電壓電平（例如2.5 V用于VADJ_FMC）也會(huì)導(dǎo)致雜散消失。

通過(guò)外部基準(zhǔn)的AC-DC適配器噪聲耦合引起的雜散問(wèn)題

ADC將模擬信號(hào)量化為數(shù)字代碼，稱為ADC的直流基準(zhǔn)電壓電平。因此，直流基準(zhǔn)輸入端的噪聲將直接饋入ADC的輸出數(shù)字代碼。

AD7175-2是一款低噪聲、快速建立、多路復(fù)用、2/4通道（全/偽差分）Σ-Δ型ADC，適用于低帶寬輸入。在EVAL-AD7175SDZ評(píng)估板的信號(hào)鏈測(cè)試中，捕獲了一組約60 kHz的雜散，如圖5所示。

圖5.EVAL-AD7175-2SDZ評(píng)估板上的雜散問(wèn)題。

對(duì)AD7175-2 ADC的電源和模擬調(diào)理電路進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)它們表現(xiàn)良好。但是，如圖6所示，AD7175-2的5 V基準(zhǔn)電壓源輸入由ADR445基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生，該基準(zhǔn)電壓源由評(píng)估板外部的AC-DC適配器的9 V直流供電。接下來(lái)，用臺(tái)式 9 V 直流電源模塊代替適配器。結(jié)果，雜散簇消失了，只留下60 kHz的窄雜散。

圖6.EVAL-AD7175-2SDZ評(píng)估板上出現(xiàn)雜散問(wèn)題。

圖7.EVAL-AD7175-2SDZ評(píng)估板上移除的雜散簇。

使用EVAL-AD7616SDZ GUI FFT測(cè)試了9 V輸出交流-DC適配器，同時(shí)為EVAL-AD7175-2SDZ板提供320 mA電流輸出。在AD7616±10 V輸入范圍內(nèi)，ADR445基準(zhǔn)電壓源電源引腳的開(kāi)關(guān)頻率功率約為–70 dBFS，這意味著在AD7175-2±5 V輸入范圍內(nèi)為6.325 mV p-p或–64 dBFS。

圖8.3.3 V VADJ_FMC開(kāi)關(guān)紋波由 EVAL-AD7616SDZ GUI FFT 捕獲。

這種電源開(kāi)關(guān)紋波噪聲饋入AD7175-2 ADC，并在數(shù)字代碼中顯示，并帶有一些衰減，如下所示：

基準(zhǔn)電壓源ADR445的數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定，在60 kHz時(shí)PSRR為49 dB。

基準(zhǔn)電壓源ADR445的輸出阻抗在60 kHz時(shí)約為4.2 Ω。它與4.8 μF儲(chǔ)液電容相結(jié)合，可提供18 dB的進(jìn)一步關(guān)注。

此外，當(dāng)ODR為256 kSPS時(shí)，AD7175-2 ADC的數(shù)字濾波器sinc5 + sinc1在60 kHz時(shí)增加了約–3 dB的衰減。

計(jì)算出的–134 dBFS水平非常接近圖5所示捕獲的–130 dBFS雜散簇（不包括最高的窄雜散）的水平。這驗(yàn)證了雜散簇是否由AC-DC適配器的開(kāi)關(guān)紋波饋入外部基準(zhǔn)電壓源ADR445引起。剩余的窄雜散將在后續(xù)部分中解決。

注入信號(hào)鏈的干擾引起的雜散問(wèn)題

在硬件系統(tǒng)中，從輸入傳感器到精密轉(zhuǎn)換器的輸入通常有很長(zhǎng)的信號(hào)鏈。該信號(hào)鏈包括連接電纜、連接器、布線、縮放和調(diào)理電路、ADC驅(qū)動(dòng)器等。外部干擾很有可能注入模擬輸入信號(hào)鏈并導(dǎo)致ADC雜散。

電力電纜干擾信號(hào)鏈引起的雜散問(wèn)題

在研究EVAL-AD7175-2SDZ評(píng)估板頻譜輸出上剩余的窄雜散時(shí)，注意到測(cè)試臺(tái)上有一個(gè)數(shù)字示波器在工作。示波器的220 V交流電源電纜（黑色）與EVAL-AD7175-2SDZ EVB的模擬輸入電纜（灰色）重疊。當(dāng)示波器關(guān)閉或其電源線物理移離模擬輸入電纜時(shí)，60 kHz的窄雜散消失，如圖10所示。

在系統(tǒng)機(jī)柜中，應(yīng)小心將電纜從傳感器布線到DAQ板。最好將低電平敏感的模擬信號(hào)與高電流電源線分開(kāi)。

圖 10.EVAL-AD7175-2SDZ評(píng)估板上的所有雜散均已移除。

燈輻射引起的雜散問(wèn)題

測(cè)試EVAL-AD7960FMCZ評(píng)估板時(shí)，F(xiàn)FT頻譜上出現(xiàn)了雜散。如圖11所示，40 kHz時(shí)的雜散電平約為–130 dB。

40 kHz似乎與EVAL-AD7960FMCZ板及其控制器板SDP-H1上出現(xiàn)的任何信號(hào)頻率無(wú)關(guān)。尋找雜散源的下一個(gè)方法是清除測(cè)試臺(tái)，以防有東西產(chǎn)生外部干擾。當(dāng)工作臺(tái)架上的熒光燈熄滅時(shí)，馬刺消失了。此外，還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)EVAL-AD7960FMCZ板靠近光線時(shí)，40 kHz雜散會(huì)變得更高。在緩沖放大器ADA4899-1的前部放置了一個(gè)額外的RC濾波器（如1 kΩ，10 nF），雜散降低了約10 dB。這意味著熒光將干擾輻射到緩沖放大器同相輸入前端的信號(hào)鏈路徑中。

對(duì)于在照明環(huán)境中運(yùn)行的系統(tǒng)，在前端電路上安裝屏蔽罩有助于保護(hù)其免受輻射干擾并優(yōu)化信號(hào)鏈性能。

圖 11.EVAL-AD7960FMCZ上的熒光照明輻射產(chǎn)生的雜散。

由長(zhǎng)模擬輸入電纜引起的雜散問(wèn)題

在評(píng)估EVAL-AD4003FMCZ板時(shí)，使用AP SY2712信號(hào)發(fā)生器通過(guò)XLR麥克風(fēng)電纜（約2米長(zhǎng)）將低噪聲和低THD正弦波驅(qū)動(dòng)到模擬輸入端。在此設(shè)置中，在700 kHz時(shí)，雜散在約–125 dB的水平上很明顯，如圖13所示。

在對(duì)支線的調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)了三種解決它的方法：

繞過(guò)兩米長(zhǎng)的 XLR 話筒電纜，將 AP 平衡輸出 XLR 公連接器短接至轉(zhuǎn)接層 XLR 母連接器。

將信號(hào)源SY2712的輸出阻抗從Z輸出= 40 Ω設(shè)置為Z輸出= 600 Ω。

在AD4003緩沖放大器ADA4807-1前端的信號(hào)鏈中插入窄帶寬RC濾波器（如1 kΩ、10 nF）時(shí)，雜散變小。

最后得出結(jié)論，信號(hào)源輸出阻抗的不匹配和較長(zhǎng)的XLR電纜導(dǎo)致了700 kHz的高頻雜散。

圖 13.由XLR電纜引起的EVAL-AD4003FMCZ評(píng)估板上的雜散。

圖 14.AP 通過(guò)一根長(zhǎng) XLR 電纜驅(qū)動(dòng) EVAL-AD4003FMCZ 板。

結(jié)論

本文討論確定系統(tǒng)應(yīng)用中高分辨率、精密ADC電路中雜散問(wèn)題的根本原因的方法。它介紹了特定的設(shè)計(jì)解決方案，以消除或減少五種不同應(yīng)用案例中的雜散。本文還討論了雜散計(jì)算方法，以幫助估算雜散功率水平，作為特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

審核編輯：郭婷