高解析度-ADC中有關噪聲的十大問題

任何高解析度訊號鏈設計的基本挑戰之一是確保系統本底噪聲足夠低，以便模數轉換器（ADC）能夠分辨您感興趣的訊號。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的訊號。

但是，從系統的角度來看，您需要擔心的不僅僅是ADC噪聲——畢竟所有元件（包括放大器、電壓基準、時鐘和電源）都會產生一些噪聲——這些器件對系統噪聲的累積影響是什麼？更重要的是，您的系統能夠解決您感興趣的訊號嗎？

為助您更好地理解系統噪聲並將這些知識應用到您的設計中，我最近撰寫了一篇名為“解決訊號”的技術文章系列。該系列探討了典型訊號鏈中的常見噪聲源，並透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個最關鍵的問題和答案，可幫助您開始使用精密ADC進行設計。

1.您將在

ADC

中發現何種型別的噪聲？

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量的模擬電壓對映到有限數量的數字程式碼的過程（圖1左側）。因此，任何單個數字輸出都可對應於數個模擬輸入電壓，這些電壓可能相差一半的最低有效位（LSB）。

由於電導體內電荷的物理移動（圖1右側），熱噪聲是所有電子元件中固有的現象。不幸的是，ADC終端使用者不能干涉器件的熱噪聲，因為它是ADC設計的一個功能。

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解析度和高解析度ADC？閱讀第1部分“Δ-Σ ADC中的噪聲簡介瞭解相關資訊”。

2. 如何測量和指定ADC噪聲？

ADC製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，以測量由於熱噪聲導致的輸出程式碼的微小變化。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）並報告ADC如何量化正弦波。圖2展示了這些型別的噪聲測量。

圖 2：正弦波輸入測試設定（左）和輸入短路測試設定（右）

每類ADC使用哪種測量方法？請閱讀第2部分中有關噪聲測量方法和規範的更多資訊。

3. 用於系統噪聲分析的最佳噪聲引數是多少？

對於ADC噪聲分析，我建議使用輸入參考噪聲。我加粗此短語，因為使用輸入參考噪聲來定義ADC效能並不常見。實際上，大多數工程師只談論相關引數，例如有效和無噪聲的解析度，而當他們無法最大化這些值時會深感擔憂。畢竟，如果您只是使用24位ADC來實現16位ADC的有效解析度，感覺就像您在為實際不會使用的ADC效能而買單。

但是，16位ADC的有效解析度並不一定能告知您ADC將使用多大的滿量程範圍（FSR）。也就是說，您可能只需要16位有效解析度，但如果最小輸入訊號為50 nV，則無法使用16位ADC來解決問題。因此，高解析度Δ-ΣADC的真正好處是它能夠提供的低輸入參考噪聲水平。這並不意味著有效的解決方案並不重要 - 只是它不是引數化系統的最佳方式。

第3部分使用無噪聲解析度和輸入參考噪聲定義系統噪聲引數的設計例項進一步採用這些要求。哪一種能夠實現最快、適應性最強的解決方案？閱讀文章發現答案。

4. 什麼是ENBW，為什麼它很重要？

在一般訊號處理術語中，濾波器的有效噪聲頻寬（ENBW）是理想的實際濾波器的截止頻率fC，其噪聲功率近似等於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。為降低能源成本並節省資金，您需要儘可能地關閉門窗以限制進入的冷空氣量。在這種情況下，您的家是系統，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開啟（或關閉）的。間隙越大（ENBW），進入家中（系統）的冷空氣（噪聲）越多，反之亦然，如圖3所示。

圖 3：寬ENBW會產生更多噪聲（左）；窄ENBW產生更少噪聲（右）

哪些系統元件對ENBW有貢獻？閱讀第4部分以瞭解更多資訊。

5. 您如何計算系統的噪聲頻寬？

如果您的訊號鏈有多個濾波器元件，則必須透過組合訊號鏈中的所有下游濾波器來計算每個元件的ENBW。要組合濾波器，請將它們繪製為幅度（以分貝為單位）與頻率的關係，然後逐點新增。

例如，要計算圖4中放大器的噪聲貢獻，您必須將放大器的頻寬與抗混疊濾波器、ADC的數字濾波器和任何後處理濾波器相結合。在這種情況下，您可忽略電磁干擾（EMI）濾波器，因為它相對於放大器位於上游。

圖 4：顯示多個濾波源的典型訊號鏈

這可能很複雜，請閱讀第5部分學習ENBW近似方法以簡化分析。

6。如果將外部放大器新增到ADC的輸入端，這會如何影響系統噪聲效能？

透過將ADC和放大器與各自的噪聲源分開可更輕鬆地進行噪聲分析。在這種情況下，您可將系統建模為無噪聲放大器和無噪聲ADC，前置條件是電壓源等於兩者的輸入參考噪聲，如圖5所示。

圖5：“無噪聲”ADC和放大器透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，因為輸入參考噪聲是大多數ADC資料手冊中使用的規範。假設放大器和ADC噪聲不相關，請採用兩個值的和方根（RSS）來確定總輸出參考噪聲。您還需要透過放大器的增益GAMP來調整放大器噪聲。公式1所示為得出的輸出參考噪聲：

如何將其轉化為輸入參考噪聲？增益比例因子GAMP的後果是什麼？閱讀第6部分以瞭解相關資訊。

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，並測量了最終的噪聲效能。然後，我使用其整合的可程式設計增益放大器將這些組合與ADS1261的基線噪聲效能進行了比較。為了更容易比較，我在每種組合的不同增益設定下繪製了噪聲，這提供了有關將外部放大器新增到精密ADC如何影響效能以及效能如何隨增益變化的數個見解。圖6描述了該示例。

圖 6：根據增益比較不同放大器的噪聲效能與和ADS1261的關係

這個示例和圖6圖表有哪些關鍵要點？閱讀第7部分“放大器噪聲對Δ-Σ ADC的影響”瞭解更多資訊。

8. 如何計算傳入系統的參考噪聲量？

參考噪聲最有趣的特徵之一是它會隨著您使用的ADC FSR的大小呈現線性變化：如果輸入訊號非常小，則不會觀察到太多參考噪聲 - 因此可能會使用較大噪聲進行參考。或者，如果輸入訊號大於中刻度，則可預期參考噪聲占主導地位。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定性地繪製了作為FSR利用率函式的參考噪聲、ADC噪聲和總噪聲。

圖7：作為FSR利用率函式的參考噪聲、ADC噪聲和總噪聲

這個圖上的關鍵點 - A、B和C代表什麼？更改輸入訊號與更改系統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