電壓參考噪聲如何影響精密ADC

今天我們將分析了降低參考噪聲對(duì)系統(tǒng)影響的幾種不同方法，并檢查了參考噪聲對(duì)低分辨率和高分辨率 ADC 影響的差異。

在解析信號(hào)系列的第 8 部分中，我討論了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 噪聲和參考噪聲之間的關(guān)系，推導(dǎo)出了計(jì)算參考噪聲的方程，并確定了增益對(duì)參考噪聲水平的影響一個(gè)系統(tǒng)。

在第 9 部分，我將通過分析幾種不同的方法來減少參考噪聲對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，從而結(jié)束對(duì)參考噪聲的討論。我還將研究參考噪聲對(duì)低分辨率和高分辨率 ADC 的影響之間的差異。

減少參考噪聲的影響

正如我在第 8 部分中所討論的，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參考噪聲量取決于參考源的噪聲性能以及滿量程范圍 (FSR) 的利用率。為了證明這種對(duì)利用率百分比的依賴，我繪制了 ADC 噪聲、參考噪聲和總噪聲與滿量程利用率（輸入電壓）之間的函數(shù)關(guān)系，假設(shè)參考電壓為 2.5V。圖 1 顯示了使用德州儀器 (TI) ADS1261的這種關(guān)系圖，這是一款具有集成可編程增益放大器 (PGA) 的 24 位 Δ-Σ ADC。

圖 1. 作為 FSR 利用率的函數(shù)的 ADC 噪聲、參考噪聲和有效分辨率

與第 8 部分一樣，參考噪聲開始以 40% 的利用率占據(jù)系統(tǒng)總噪聲的主導(dǎo)地位，抵消了高分辨率 ADC 提供的噪聲優(yōu)勢(shì)。為了幫助緩解這個(gè)問題并實(shí)現(xiàn)精密系統(tǒng)，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(shì)。

選擇低噪聲參考

降低進(jìn)入系統(tǒng)的參考噪聲水平最明顯的方法之一是選擇噪聲較小的電壓參考。這會(huì)降低圖 1 中紅色條的水平并擴(kuò)展有用的 FSR 利用率限制。

但是，正如我在第 8 部分中所建議的，對(duì)于任何給定的輸入信號(hào)，請(qǐng)注意將參考噪聲水平與 ADC 噪聲水平相匹配。例如，如果您使用 ADS1261 對(duì) 2.5V 輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，則只能使用 1V/V 的增益。在這些情況下，選擇噪聲比 REF6025 低的電壓基準(zhǔn)可能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)噪聲幾乎沒有影響，因?yàn)?FSR 利用率非常高（圖 1）。

增加參考電壓

另一種可能降低參考噪聲影響的方法是增加參考電壓，因?yàn)檫@會(huì)影響利用率百分比的變化。例如，將參考電壓加倍會(huì)使利用率百分比降低 2 倍。但是，這種方法僅在參考噪聲沒有成比例增加的情況下才提供系統(tǒng)噪聲優(yōu)勢(shì)，但情況并非總是如此。許多離散電壓參考系列以微伏/伏特為單位指定噪聲，因?yàn)閰⒖荚肼暸c參考電壓成線性比例。在這種情況下，將參考電壓加倍也會(huì)使參考噪聲加倍，盡管利用率降低了，但不會(huì)產(chǎn)生任何系統(tǒng)噪聲優(yōu)勢(shì)。

降低有效噪聲帶寬

減少傳入系統(tǒng)的參考噪聲量的第三種選擇是限制整體有效噪聲帶寬 (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。但是，由于 C0G 的低電壓和溫度系數(shù)，德州儀器 (TI) 建議將 C0G 型電容器用于輸入信號(hào)路徑濾波器。信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中使用的典型 C0G 電容器僅提供高達(dá) 10-15nF 的容量，這從本質(zhì)上限制了抗混疊濾波器截止頻率的低程度。相反，由于參考電壓的 DC 輸出電壓幾乎恒定，因此參考濾波器可能會(huì)采用更高電容的 X7R 型電容器。對(duì)于每種濾波器類型，使用低漂移、低阻抗電阻器 (<10kΩ)，

降低系統(tǒng) ENBW 的更常見方法是降低 ADC 的輸出數(shù)據(jù)速率。圖 2 顯示了降低 ADC 的輸出數(shù)據(jù)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(dǎo)致更少總噪音。

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減輕許多應(yīng)用的參考噪聲，但其他系統(tǒng)可能具有固定參數(shù)——例如建立時(shí)間或傳感器輸出電壓——這使得這些技術(shù)更難采用。在這種情況下，您可以通過選擇合適的參考配置來減少傳入系統(tǒng)的參考噪聲量：內(nèi)部、外部或比率。

內(nèi)部參考

精密 ADC通常包括通常適用于許多應(yīng)用的集成精密電壓基準(zhǔn)。集成參考消除了外部參考增加的成本、面積和功耗。但是，一般而言，與精密外部基準(zhǔn)相比，內(nèi)部基準(zhǔn)的功耗較低，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(tǒng)。

圖 3 顯示了 ADS1261 測(cè)量電阻電橋，同時(shí)使用其集成電壓基準(zhǔn)作為測(cè)量的基準(zhǔn)源。

圖 3. 使用 ADS1261 的內(nèi)部參考測(cè)量電阻橋

外部參考

如果集成電壓參考的規(guī)格不夠，并且 ADC 允許使用外部參考源，您可以選擇外部參考。與集成參考相比，外部參考通常受益于更低的噪聲和更好的漂移參數(shù)。這種提高的性能是以更高的功耗、額外的成本和增加的印刷電路板 (PCB) 面積為代價(jià)的。此外，由于 ADC 和電壓基準(zhǔn)不共享同一芯片，因此它們的溫度漂移規(guī)格可能不再相關(guān)；集成參考就是這種情況。因此，ADC 和參考可以獨(dú)立地向相反方向漂移，從而導(dǎo)致更大的不準(zhǔn)確度。為避免此問題，請(qǐng)將兩個(gè)設(shè)備連接到良好的導(dǎo)熱接地層。

將 ADC 連接到外部參考源時(shí)的一個(gè)有用提示是將 ADC 的負(fù)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 的接地層。這形成了“星形”接地連接，有助于避免負(fù)參考輸入上的接地平面噪聲拾取并保持精確的測(cè)量結(jié)果。

圖 4 顯示了與圖 3 中相同的電阻橋連接圖，但使用 REF6025 電壓基準(zhǔn)而不是 ADS1261 的內(nèi)部基準(zhǔn)。

圖 4. 使用 ADS1261 和外部參考 (REF6025) 測(cè)量電阻橋

比例參考

在需要傳感器激勵(lì)的情況下，例如測(cè)量電阻橋或電阻溫度檢測(cè)器 (RTD)，請(qǐng)使用比率配置。此配置對(duì)模擬輸入和參考電壓使用相同的激勵(lì)源。因此，激勵(lì)源中的任何噪聲或漂移都會(huì)同等地影響測(cè)量和參考。由于 ADC 輸出代碼是輸入與參考的比率，激勵(lì)源噪聲和漂移趨于抵消，導(dǎo)致噪聲性能更接近輸入短路情況。通常，與其他兩種配置相比，這種配置產(chǎn)生的總噪聲量最低。

比率參考的主要缺點(diǎn)是它只能用于需要傳感器激勵(lì)的應(yīng)用。因此，如果系統(tǒng)不需要傳感器激勵(lì)，您必須選擇其他兩個(gè)參考配置選項(xiàng)之一。

圖 5 顯示了與圖 3 和圖 4 相同的電路，但采用比例參考配置。請(qǐng)注意 5V 橋激勵(lì)電壓如何也用作 ADS1261 的外部差分參考電壓 (REFP - REFN)。

圖 5. 使用 ADS1261 和比例基準(zhǔn)測(cè)量電阻電橋

到目前為止，我已經(jīng)做出定性聲明，即比率參考提供比外部參考更好的噪聲性能，外部參考提供比內(nèi)部參考更好的噪聲性能。如果您查看 TI 24 位ADS1259的數(shù)據(jù)表，您會(huì)發(fā)現(xiàn)這在數(shù)量上也是正確的。圖 6 顯示了來自 ADS1259 數(shù)據(jù)表的圖表，其中包括所有三種配置的測(cè)量噪聲性能。

圖 6. 比較內(nèi)部、外部和比例參考配置與 ADS1259 的總噪聲增加

在 VIN = 0V 時(shí)，圖 6 中的曲線顯示 ADS1259 的固有噪聲約為 0.5μVRMS。在 100% 利用率 (VIN = ±2.5V) 時(shí)，內(nèi)部基準(zhǔn)使此基線噪聲增加 400% 至 2.5μVRMS，而外部 REF5025 將總噪聲增加 150% 至 1.25μVRMS。將這些曲線與幾乎平坦的比率參考曲線進(jìn)行比較，后者在 100% 的利用率下僅使總噪聲增加了 50%。這種配置允許您使用 ADS1259 的整個(gè) FSR，而不會(huì)顯著增加總噪聲，從而實(shí)現(xiàn)最佳的整體系統(tǒng)噪聲性能。

您能否將這些結(jié)論同樣適用于所有 delta-sigma ADC？到目前為止，在本系列中，我已經(jīng)分析了 24 位和 32 位轉(zhuǎn)換器，以更好地了解電壓參考噪聲如何影響這些設(shè)備的性能。通常，這些高分辨率 ADC 的噪聲非常低，因此任何參考噪聲都會(huì)對(duì)系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生顯著影響。參考噪聲如何影響低分辨率 ADC？

較低的比。更高分辨率的 ADC

您可以將用于測(cè)量參考噪聲對(duì)高分辨率 ADC 的影響的相同原理應(yīng)用于較低分辨率的 ADC。使用前面示例中的相同設(shè)置，讓我們將 REF6025 連接到具有不同分辨率的 ADC，并測(cè)量 100% 利用率時(shí)的總噪聲。圖 7 描述了這種設(shè)置。

圖 7. 使用 ADS1262 和 REF6025 的系統(tǒng)設(shè)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 的基線噪聲信息，作為其分辨率的函數(shù)。

表 1. ADC 分辨率的固有 ADC 噪聲

正如我在本系列的第 1 部分中討論的那樣，量化噪聲通常在較低分辨率 ADC 的總噪聲（<16 位）中占主導(dǎo)地位，因此其值對(duì)應(yīng)于最低有效位 (LSB) 大小。相反，18 位、24 位和 32 位 ADC 噪聲大于相應(yīng)的 LSB 大小，因?yàn)楦叻直媛?ADC 中的熱噪聲量相對(duì)較大。

要計(jì)算 ADC 和電壓基準(zhǔn)的組合噪聲，請(qǐng)取每個(gè)組件噪聲的平方和 (RSS)，因?yàn)槲壹僭O(shè)利用率為 100%。表 2 包括兩個(gè)組件產(chǎn)生的總噪聲，以及與僅 ADC 噪聲相比噪聲增加的百分比。

表 2. 總噪聲和 ADC 分辨率增加的百分比

表 2 提供了參考噪聲對(duì)較低分辨率和較高分辨率 ADC 的影響之間的鮮明對(duì)比。高達(dá)大約 16 位級(jí)別（表 2 中以紅色突出顯示的單元格），REF6025 的噪聲對(duì)系統(tǒng)的總噪聲幾乎沒有影響，即使在 100% 的利用率下也是如此。在這些情況下，高水平的 ADC 量化噪聲超過了較低水平的參考噪聲。因此，低噪聲外部基準(zhǔn)在這里幾乎沒有什么好處，尤其是與增加的系統(tǒng)成本和尺寸相比時(shí)。事實(shí)上，出于這個(gè)原因，許多較低分辨率的 ADC 不包括外部參考輸入，而是依靠集成參考甚至電源電壓來執(zhí)行此功能。

然而，這并不意味著您在使用較低分辨率的 ADC 時(shí)永遠(yuǎn)不必?fù)?dān)心參考噪聲。累積效應(yīng)取決于特定參考電壓的噪聲、系統(tǒng)帶寬和利用率百分比。我建議執(zhí)行一些快速計(jì)算以確定任何外部組件可能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的一般影響。

參考噪聲總是對(duì) 18 位、24 位和 32 位更高分辨率 ADC（表 2 中以藍(lán)色突出顯示的單元格）產(chǎn)生更大影響的地方。相對(duì)于 ADC 本身，所有這些 ADC 的噪聲都顯著增加。隨著 ADC 分辨率的提高，這一結(jié)果更加明顯，僅由于參考噪聲，32 位 ADC 的噪聲就增加了 553%，令人難以置信。在更高分辨率級(jí)別，使用本文中概述的降噪方法并選擇合適的參考配置對(duì)于保持精確測(cè)量至關(guān)重要。

在解析信號(hào)的第 10 部分中，我將討論時(shí)鐘如何影響精密 ADC。

總結(jié)要點(diǎn)

以下是有助于更好地了解電壓參考噪聲如何影響 Δ-Σ ADC 的要點(diǎn)的摘要：

• 降低參考噪聲：
  • 使用低噪聲參考
  • 減少您的 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
• 通過選擇提供與 ADC 噪聲性能相似的參考噪聲性能的參考配置來優(yōu)化系統(tǒng)噪聲性能。