一文解讀ADC噪聲性能

在 本系列的第 1 部分和第 2 部分中，我詳細(xì)探討了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 噪聲性能，從其特性和來源到如何測量和指定。在本系列的第 3 部分中，我會將第 1 部分和第 2 部分的理論理解應(yīng)用到實際設(shè)計示例中。最終，目標(biāo)是為您提供回答問題所需的知識，“我真正需要什么樣的噪聲性能？” 讓您可以輕松自信地為您的下一個應(yīng)用選擇 ADC。

系統(tǒng)規(guī)格

我將首先定義應(yīng)用的系統(tǒng)規(guī)格，將這些規(guī)格轉(zhuǎn)換為目標(biāo)噪聲性能參數(shù)，并使用該信息來比較潛在的 ADC。例如，讓我們分析一個使用與圖 1 所示類似的四線電阻橋的稱重應(yīng)用。

圖 1. 典型的四線電阻橋

對于系統(tǒng)規(guī)格，假設(shè)電橋的靈敏度為 2mV/V，激勵電壓為 2.5V，您希望以每秒 5 個樣本 (SPS) 進(jìn)行采樣。這提供了 5mV 的最大輸出電壓，對應(yīng)于 1kg 的最大施加重量。我們還假設(shè)您希望能夠解決 50 毫克的最小應(yīng)用重量。表 1 總結(jié)了這些參數(shù)。

現(xiàn)在您已了解系統(tǒng)規(guī)格，讓我們將它們轉(zhuǎn)換為常見的噪聲參數(shù)，以幫助選擇最佳 ADC。

定義系統(tǒng)噪聲參數(shù)

在本系列的第 2 部分中，我強(qiáng)烈建議使用參考輸入噪聲來定義系統(tǒng)噪聲參數(shù)并選擇 ADC。但讓我們從使用無噪聲計數(shù)和無噪聲分辨率的更常見方法開始。然后您可以將此方法與直接使用輸入?yún)⒖荚肼曔M(jìn)行比較。等式 1 和 2 計算您的初始噪聲參數(shù)：

等式 1

等式 2

如果需要 14.3 位的無噪聲分辨率，您可能很快就會得出結(jié)論，您只需要一個 16 位 ADC。然而，正如我在第 2 部分中所解釋的，高分辨率 delta-sigma ADC 實際可以提供的無噪聲分辨率取決于 ADC 滿量程范圍的利用率百分比。在本例中，系統(tǒng)使用 2.5V 參考電壓，最大輸入信號是激勵電壓 (2.5V) 和電橋靈敏度 (2mV/V) 的乘積。公式 3 顯示了使用第 2 部分中的公式 2 的預(yù)期分辨率損失：

等式 3

這是一個戲劇性的結(jié)果。由于您只使用了可用滿量程范圍的 0.1%，您將損失近 10 位的分辨率。在這個級別，即使是 24 位 ADC 也不足以滿足系統(tǒng)要求。要解決此問題，您需要通過更改系統(tǒng)規(guī)格或放大輸入信號來提高百分比利用率。假設(shè)您幾乎無法控制系統(tǒng)所需的內(nèi)容，您只能增加輸入，這一操作絕對會改變信號鏈的噪聲性能。

幸運(yùn)的是，您無需詳細(xì)了解放大器噪聲如何影響系統(tǒng)性能就可以繼續(xù)分析。相反，您可以使用現(xiàn)有知識來分析具有集成可編程增益放大器 (PGA) 的 ADC 的數(shù)據(jù)手冊噪聲表，以確定它是否滿足系統(tǒng)要求。

例如，圖 2 顯示了高達(dá) 50SPS的 24 位ADS124S08的有效和無噪聲分辨率表，其中突出顯示了目標(biāo)數(shù)據(jù)速率。請注意，ADS124S08 包括從 1V/V 到 128V/V 的增益。

圖 2. ADS124S08 有效分辨率（無噪聲分辨率）——Sinc3 濾波器在 AVDD = 3.3V、AVSS = 0V、PGA 啟用、全局?jǐn)夭ń煤蛢?nèi)部 2.5V 參考電壓下

要確定此 ADC 是否滿足您的要求，您需要單獨(dú)重新計算每個增益設(shè)置的預(yù)期分辨率損失，因為每個設(shè)置都會導(dǎo)致不同的百分比利用率。然后，您需要將其添加到圖 2 中報告的每個相應(yīng)的無噪聲分辨率值中，以查看它是否符合系統(tǒng)規(guī)格。表 2 列出了使用 ADS124S08 以 5SPS 數(shù)據(jù)速率計算的系統(tǒng)無噪聲分辨率（以位為單位）。

表 2 告訴您，您只能在 5SPS 下使用 32、64 或 128V/V 的增益實現(xiàn)所需的 14.3 位系統(tǒng)無噪聲分辨率。圖 3 在數(shù)據(jù)表噪聲表的上下文中突出顯示了這些值。

圖 3. 使用 ADS124S08 以 5SPS 數(shù)據(jù)速率滿足系統(tǒng)要求的增益設(shè)置

圖 3 的一個關(guān)鍵要點(diǎn)是，沒有簡單的方法可以在不進(jìn)行多次計算的情況下將數(shù)據(jù)表中的值與系統(tǒng)噪聲參數(shù)相關(guān)聯(lián)。雖然在計算結(jié)果后這可能與現(xiàn)在無關(guān)，但如果系統(tǒng)規(guī)格突然改變怎么辦？

假設(shè)您決定將激勵（參考）電壓從 2.5V 增加到 5V。您還將把電橋靈敏度提高到 20mV/V（這意味著您不能使用最高增益設(shè)置，因為這會超出 ADC 的范圍）。您正在探索以 20SPS 而不是 5SPS 進(jìn)行采樣的選項。這些變化如何影響您的 ADC 噪聲分析？

要確定答案，您必須在新的數(shù)據(jù)速率和參考電壓下為每個增益設(shè)置計算新的分辨率損失。此外，您必須根據(jù) 5V 參考電壓重新創(chuàng)建圖 2 中的表格，因為該表的計算使用 2.5V 的參考電壓。最后，您必須通過從使用 5V 參考電壓創(chuàng)建的無噪聲分辨率表中減去計算出的分辨率損失來重新創(chuàng)建表 2。

誠然，這是一項大量工作，并且是無噪聲分辨率作為相對參數(shù)的直接結(jié)果。因此，讓我們現(xiàn)在切換到使用絕對噪聲參數(shù)，如第 2 部分中建議的那樣，看看分析如何變化。

使用輸入?yún)⒖荚肼?/h3>

與無噪聲分辨率一樣，您只需了解一些系統(tǒng)規(guī)格即可確定電橋所需的輸入?yún)⒖荚肼?。你需要知道它的最大輸出信號?mV。你還需要知道這個最大信號對應(yīng)的重量，即1kg。最后，您需要知道您的最小應(yīng)用重量，即 50 毫克。有了這幾位信息，您可以使用公式 4 來確定您的 ADC 需要能夠解析 250nV 的峰峰值信號：

等式 4

使用輸入?yún)⒖荚肼暤暮锰幹皇悄槐負(fù)?dān)心計算分辨率損失。相反，您可以直接將您的計算值與 ADC 的輸入?yún)⒖荚肼暠磉M(jìn)行比較，以確定哪種設(shè)置組合可提供相同或更低水平的噪聲性能。

圖 4 是 ADS124S08 的輸入?yún)⒖荚肼暠淼膭h節(jié)版。我已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了提供≤250nVPP 的輸入?yún)⒖荚肼暤脑鲆婧蛿?shù)據(jù)速率設(shè)置的任何組合。

圖 4. 使用 ADS124S08 提供 ≤250nVPP 的數(shù)據(jù)速率和增益組合（注意：表中的值使用 2.5V 參考電壓作為“噪聲 μVRMS (μVPP)”給出）

如果將圖 4 中的結(jié)果與圖 3 中使用無噪聲分辨率的分析進(jìn)行比較，您將看到圖 4 提供了滿足系統(tǒng)要求的整個 ADS124S08 設(shè)置范圍。圖 3 僅提供所選數(shù)據(jù)速率下的值，并要求您針對不同的數(shù)據(jù)速率執(zhí)行新的計算，這使得這種方法不太適應(yīng)系統(tǒng)規(guī)格的變化。

系統(tǒng)變化的影響

現(xiàn)在讓我們假設(shè)您已將最大施加重量增加到 5kg，將最小施加重量增加到 500mg，并將電橋的最大輸出信號保持在 5mV，如公式 5 所示：

等式 5

通過快速計算，您可以確定您的系統(tǒng)噪聲要求已放寬至 500nVPP，從而為您提供更多數(shù)據(jù)速率和增益組合。圖 5 表明，這些寬松的系統(tǒng)規(guī)格允許您更快地采樣（高達(dá) 20SPS）或降低增益（低至 4V/V），同時仍能實現(xiàn)必要的噪聲性能。

圖 5. 使用 ADS124S08 提供 ≤500nVPP 的數(shù)據(jù)速率和增益組合（注意：表中的值使用 2.5V 參考電壓作為“噪聲 μVRMS (μVPP)”給出）

如果您的體重秤需要更高的分辨率怎么辦？例如，您保持 5 公斤的最大應(yīng)用重量要求，但從第一個示例中恢復(fù)到 50 毫克的最小重量。保持最大電橋輸出相同 (5mV)，您現(xiàn)在需要 50nVPP 的輸入?yún)⒖荚肼?，這是極低的。查看圖 4 或圖 5，很明顯 ADS124S08 數(shù)據(jù)速率和增益設(shè)置的組合無法提供這種級別的性能。但因為您可以使用任何 ADC 輕松執(zhí)行相同的分析，只需選擇具有更好噪聲性能的一個即可。

圖 6 顯示了ADS1262的噪聲表，這是一款 32 位 ADC，其功能與 ADS124S08 類似，但具有更好的噪聲性能。綠色陰影表示提供≤50nVPP 的輸入?yún)⒖荚肼暤臄?shù)據(jù)速率和噪聲組合，并確認(rèn) ADS1262 能夠滿足您系統(tǒng)的新分辨率要求。

圖 6.使用 ADS1262提供 ≤50nV PP 的數(shù)據(jù)速率和增益組合（注意：表中的值使用 2.5V 參考電壓作為“噪聲 μV RMS (μV PP )”給出）

為了論證起見，讓我們將輸入?yún)⒖荚肼暯Y(jié)果與相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比較。圖 7 突出顯示了 ADS1262 在與圖 6 所示的數(shù)據(jù)速率和增益配置相同的情況下的無噪聲分辨率性能。

圖 7.使用 AD12626 和 5V 參考電壓時與≤50nV PP相關(guān)的有效（無噪聲）分辨率

在第 2 部分中，我指出許多工程師不必要地關(guān)注最大化他們的無噪聲分辨率（動態(tài)范圍）。讓我們通過在系統(tǒng)要求的 5SPS 數(shù)據(jù)速率下根據(jù)最大突出顯示值計算系統(tǒng)的無噪聲分辨率來檢查這一點(diǎn)。在圖 7 中，該值為 23.5 位，可使用 Sinc4 濾波器以 16V/V 的增益獲得。

從圖 7 的標(biāo)題中記住，表格計算使用的是 5V 參考電壓，而不是系統(tǒng)指定的 2.5V 參考電壓。為了補(bǔ)償這種差異，圖 6 中給出的每個分辨率值都必須減少一位。這意味著在給定條件下，您最多只能獲得 22.5 位的無噪聲分辨率。您現(xiàn)在可以在這些設(shè)置下計算 ADS1262 的預(yù)期分辨率損失。

使用公式 6 的結(jié)果，使用 32 位 ADC 的系統(tǒng)無噪聲分辨率僅為 16.5 位。

等式 6

對于許多人來說，這是一個令人沮喪的結(jié)果，似乎證實了您為 ADC 實際無法提供的性能付費(fèi)的擔(dān)憂。但是，如果您查看圖 6 中的相同設(shè)置，您會發(fā)現(xiàn)您實際上在給定條件下利用了 48nVPP 噪聲。這是一個令人難以置信的小值，這是 16 位 ADC 和極少數(shù) 24 位 ADC 無法提供的。

最終，這就是我想要表達(dá)的觀點(diǎn)。您需要這樣一個高分辨率的 ADC 來實現(xiàn) 16.5 位的無噪聲分辨率（動態(tài)范圍），因為系統(tǒng)需要極低的噪聲性能。這就是為什么使用參考輸入噪聲來定義系統(tǒng)性能和選擇 ADC 是有意義的。

在“解析信號”系列的下一部分中，我將詳細(xì)討論有效噪聲帶寬，并深入探討如何確定進(jìn)入系統(tǒng)的噪聲量以及限制噪聲帶寬的方法等主題。