但是，從系統(tǒng)的角度來(lái)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(shí)鐘和電源）都會(huì)產(chǎn)生一些噪聲——這些器件對(duì)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(hào)嗎？

 

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

 

以下是該系列中10個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題和答案，可幫助您開(kāi)始使用精密ADC進(jìn)行設(shè)計(jì)。

 

1.您將在ADC中發(fā)現(xiàn)何種類型的噪聲？

 

總ADC噪聲有兩個(gè)主要組成部分：量化噪聲和熱噪聲。量化噪聲來(lái)自將無(wú)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(guò)程（圖1左側(cè)）。因此，任何單個(gè)數(shù)字輸出都可對(duì)應(yīng)于數(shù)個(gè)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(dòng)（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?yàn)樗茿DC設(shè)計(jì)的一個(gè)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(jiǎn)介了解相關(guān)信息”。

 

 2. 如何測(cè)量和指定ADC噪聲？

 

ADC制造商使用兩種方法來(lái)測(cè)量ADC噪聲。第一種方法將ADC的輸入短接在一起，以測(cè)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(bào)告ADC如何量化正弦波。圖2展示了這些類型的噪聲測(cè)量。

 

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

 

每類ADC使用哪種測(cè)量方法？請(qǐng)閱讀第2部分中有關(guān)噪聲測(cè)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(duì)于ADC噪聲分析，我建議使用輸入?yún)⒖荚肼?。我加粗此短語(yǔ)，因?yàn)槭褂幂斎雲(yún)⒖荚肼晛?lái)定義ADC性能并不常見(jiàn)。實(shí)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(wú)噪聲的分辨率，而當(dāng)他們無(wú)法最大化這些值時(shí)會(huì)深感擔(dān)憂。畢竟，如果您只是使用24位ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)16位ADC的有效分辨率，感覺(jué)就像您在為實(shí)際不會(huì)使用的ADC性能而買(mǎi)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(shuō)，您可能只需要16位有效分辨率，但如果最小輸入信號(hào)為50 nV，則無(wú)法使用16位ADC來(lái)解決問(wèn)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?。這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(wú)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(jì)實(shí)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(hào)處理術(shù)語(yǔ)中，濾波器的有效噪聲帶寬（ENBW）是理想的實(shí)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(mén)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(mén)窗是濾波器，冷空氣是噪聲，ENBW是衡量您的門(mén)窗是如何打開(kāi)（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(huì)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(duì)ENBW有貢獻(xiàn)？閱讀第4部分以了解更多信息。

 

5. 您如何計(jì)算系統(tǒng)的噪聲帶寬？

 

如果您的信號(hào)鏈有多個(gè)濾波器組件，則必須通過(guò)組合信號(hào)鏈中的所有下游濾波器來(lái)計(jì)算每個(gè)組件的ENBW。要組合濾波器，請(qǐng)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(diǎn)添加。

 

例如，要計(jì)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?yàn)樗鄬?duì)于放大器位于上游。

 

圖 4：顯示多個(gè)濾波源的典型信號(hào)鏈

 

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

 

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

 

通過(guò)將ADC和放大器與各自的噪聲源分開(kāi)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(wú)噪聲放大器和無(wú)噪聲ADC，前置條件是電壓源等于兩者的輸入?yún)⒖荚肼暎鐖D5所示。

 

圖5：“無(wú)噪聲”ADC和放大器通過(guò)參考輸入總噪聲前置

 

不幸的是，測(cè)得的輸出噪聲必須重新參考輸入，因?yàn)檩斎雲(yún)⒖荚肼暿谴蠖鄶?shù)ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)中使用的規(guī)范。假設(shè)放大器和ADC噪聲不相關(guān)，請(qǐng)采用兩個(gè)值的和方根（RSS）來(lái)確定總輸出參考噪聲。您還需要通過(guò)放大器的增益GAMP來(lái)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?？增益比例因子GAMP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(guò)多的情況？

 

在第七系列文章中，我查看了一個(gè)示例，該示例在ADS1261的輸入端添加了多個(gè)外部放大器，并測(cè)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(gè)見(jiàn)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(gè)示例和圖6圖表有哪些關(guān)鍵要點(diǎn)？閱讀第7部分“放大器噪聲對(duì)Δ-Σ ADC的影響”了解更多信息。

 

8. 如何計(jì)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(huì)隨著您使用的ADC FSR的大小呈現(xiàn)線性變化：如果輸入信號(hào)非常小，則不會(huì)觀察到太多參考噪聲 - 因此可能會(huì)使用較大噪聲進(jìn)行參考?；蛘?，如果輸入信號(hào)大于中刻度，則可預(yù)期參考噪聲占主導(dǎo)地位。在這種情況下，請(qǐng)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(gè)圖上的關(guān)鍵點(diǎn) - A、B和C代表什么？更改輸入信號(hào)與更改系統(tǒng)增益如何會(huì)影響參考噪聲？在第8部分中找到這些問(wèn)題的答案

 

來(lái)源：德州儀器  作者：Bryan Lizon

 

 

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