高分辨率Δ-ΣADC中有關(guān)噪聲的十大問題

作者：Bryan Lizon

任何高分辨率信號鏈設(shè)計的基本挑戰(zhàn)之一是確保系統(tǒng)本底噪聲足夠低，以便模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）能夠分辨您感興趣的信號。例如，如果您選擇德州儀器ADS1261（一個24位低噪聲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。

但是，從系統(tǒng)的角度來看，您需要擔(dān)心的不僅僅是ADC噪聲——畢竟所有組件（包括放大器、電壓基準(zhǔn)、時鐘和電源）都會產(chǎn)生一些噪聲——這些器件對系統(tǒng)噪聲的累積影響是什么？更重要的是，您的系統(tǒng)能夠解決您感興趣的信號嗎？

為助您更好地理解系統(tǒng)噪聲并將這些知識應(yīng)用到您的設(shè)計中，我最近撰寫了一篇名為“解決信號”的技術(shù)文章系列。該系列探討了典型信號鏈中的常見噪聲源，并通過降低噪聲和保持高精度測量的方法輔助理解。

以下是該系列中10個最關(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。

1.您將在ADC中發(fā)現(xiàn)何種類型的噪聲？

總ADC噪聲有兩個主要組成部分：量化噪聲和熱噪聲。量化噪聲來自將無限數(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，任何單個數(shù)字輸出都可對應(yīng)于數(shù)個模擬輸入電壓，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（圖1右側(cè)），熱噪聲是所有電子元件中固有的現(xiàn)象。不幸的是，ADC終端用戶不能干涉器件的熱噪聲，因為它是ADC設(shè)計的一個功能。

圖 1：量化噪聲（左）和熱噪聲（右）

熱噪聲和量化噪聲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中的噪聲簡介了解相關(guān)信息”。

2.如何測量和指定ADC噪聲？

ADC制造商使用兩種方法來測量ADC噪聲。第一種方法將ADC的輸入短接在一起，以測量由于熱噪聲導(dǎo)致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）并報告ADC如何量化正弦波。圖2展示了這些類型的噪聲測量。

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

每類ADC使用哪種測量方法？請閱讀第2部分中有關(guān)噪聲測量方法和規(guī)范的更多信息。

3.用于系統(tǒng)噪聲分析的最佳噪聲參數(shù)是多少？

對于ADC噪聲分析，我建議使用輸入?yún)⒖荚肼?。我加粗此短語，因為使用輸入?yún)⒖荚肼晛矶xADC性能并不常見。實際上，大多數(shù)工程師只談?wù)撓嚓P(guān)參數(shù)，例如有效和無噪聲的分辨率，而當(dāng)他們無法最大化這些值時會深感擔(dān)憂。畢竟，如果您只是使用24位ADC來實現(xiàn)16位ADC的有效分辨率，感覺就像您在為實際不會使用的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的真正好處是它能夠提供的低輸入?yún)⒖荚肼曀健＿@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部分使用無噪聲分辨率和輸入?yún)⒖荚肼暥x系統(tǒng)噪聲參數(shù)的設(shè)計實例進(jìn)一步采用這些要求。哪一種能夠?qū)崿F(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？

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

作為類比，您可考慮一下在寒冷的夜晚您家中的情況。為降低能源成本并節(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，冷空氣是噪聲，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（噪聲）越多，反之亦然，如圖3所示。

圖 3：寬ENBW會產(chǎn)生更多噪聲（左）；窄ENBW產(chǎn)生更少噪聲（右）

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

5.您如何計算系統(tǒng)的噪聲帶寬？

如果您的信號鏈有多個濾波器組件，則必須通過組合信號鏈中的所有下游濾波器來計算每個組件的ENBW。要組合濾波器，請將它們繪制為幅度（以分貝為單位）與頻率的關(guān)系，然后逐點添加。

例如，要計算圖4中放大器的噪聲貢獻(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，因為它相對于放大器位于上游。

圖 4：顯示多個濾波源的典型信號鏈

這可能很復(fù)雜，請閱讀第5部分學(xué)習(xí)ENBW近似方法以簡化分析。

6.如果將外部放大器添加到ADC的輸入端，這會如何影響系統(tǒng)噪聲性能？

通過將ADC和放大器與各自的噪聲源分開可更輕松地進(jìn)行噪聲分析。在這種情況下，您可將系統(tǒng)建模為無噪聲放大器和無噪聲ADC，前置條件是電壓源等于兩者的輸入?yún)⒖荚肼?，如圖5所示。

圖5：“無噪聲”ADC和放大器通過參考輸入總噪聲前置

不幸的是，測得的輸出噪聲必須重新參考輸入，因為輸入?yún)⒖荚肼暿谴蠖鄶?shù)ADC數(shù)據(jù)手冊中使用的規(guī)范。假設(shè)放大器和ADC噪聲不相關(guān)，請采用兩個值的和方根（RSS）來確定總輸出參考噪聲。您還需要通過放大器的增益GAMP來調(diào)整放大器噪聲。公式1所示為得出的輸出參考噪聲：

如何將其轉(zhuǎn)化為輸入?yún)⒖荚肼暎吭鲆姹壤蜃覩AMP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，我查看了一個示例，該示例在ADS1261的輸入端添加了多個外部放大器，并測量了最終的噪聲性能。然后，我使用其集成的可編程增益放大器將這些組合與ADS1261的基線噪聲性能進(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)置下繪制了噪聲，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聲性能與和ADS1261的關(guān)系

這個示例和圖6圖表有哪些關(guān)鍵要點？閱讀第7部分“放大器噪聲對Δ-Σ ADC的影響”了解更多信息。

8.如何計算傳入系統(tǒng)的參考噪聲量？

參考噪聲最有趣的特征之一是它會隨著您使用的ADC FSR的大小呈現(xiàn)線性變化：如果輸入信號非常小，則不會觀察到太多參考噪聲 - 因此可能會使用較大噪聲進(jìn)行參考?；蛘撸绻斎胄盘柎笥谥锌潭?，則可預(yù)期參考噪聲占主導(dǎo)地位。在這種情況下，請始終確保ADC噪聲和參考噪聲具有可比性。圖7定性地繪制了作為FSR利用率函數(shù)的參考噪聲、ADC噪聲和總噪聲。

圖7：作為FSR利用率函數(shù)的參考噪聲、ADC噪聲和總噪聲

這個圖上的關(guān)鍵點 - A、B和C代表什么？更改輸入信號與更改系統(tǒng)增益如何會影響參考噪聲？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)的參考噪聲量？

減少傳入系統(tǒng)的參考噪聲量的一種常用方法是限制系統(tǒng)的整體ENBW，這可通過降低ADC的輸出數(shù)據(jù)速率來實現(xiàn)。圖8所示為降低ADC輸出數(shù)據(jù)速率如何同時降低ADC噪聲和參考噪聲。例如，在ENBW = 0.6 Hz（左）和ENBW = 96 Hz（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，遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于總噪音。

圖 8：限制ENBW可降低總噪聲：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)的參考噪聲量。

10.時鐘會影響ADC的噪聲性能嗎？

雖然我們期望ADC的采樣周期完全恒定，但總會有一些與理想值的偏差。“時鐘抖動”是指時鐘波形從一個周期到下一個周期的邊沿變化。由于所有ADC都使用時鐘邊沿來控制采樣點，因此時鐘邊沿變化會在采樣實例中產(chǎn)生偏差。該偏差導(dǎo)致在轉(zhuǎn)換結(jié)果中出現(xiàn)的非恒定采樣頻率成為另一噪聲源。圖9所示為正弦輸入信號上的時鐘抖動引起的采樣邊沿變化。

圖 9：時鐘信號顯示由抖動引起的采樣邊沿變化

了解時鐘如何導(dǎo)致其他故障，以及降低因時鐘抖動引起的系統(tǒng)噪聲的方法，請閱讀第10部分。

雖然這些是“解決信號”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信號鏈中獲得最佳噪聲性能。閱讀該系列以了解更多信息。如果您有任何其他問題，請隨時在下方發(fā)表評論。