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Delta-Sigma ADC中的噪声介绍

菜鸟
2018-08-09 11:04:28    评分

任何信号链设计的基本挑战之一是确保系统本底噪声足够低,以便模数转换器(ADC)能够解析感兴趣的信号。无论您努力降低功耗,减小电路板空间或降低成本,噪声水平都高于输入信号,这使得任何设计都无济于事。因此,任何模拟设计人员都必须了解信号链噪声,它对模数转换的影响以及如何最大限度地降低其影响。为此,这个“解决信号”系列旨在全面了解Δ-ΣADC中的噪声。在这些文章中,我将研究典型信号链中的常见噪声源,并通过降低噪声和保持高精度测量的方法来补充这种理解。

在继续之前,重要的是要注意这篇文章系列包括精度(噪音),而不是准确性。虽然这两个术语通常可以互换使用,但它们指的是信号链设计的不同 - 但相关 - 方面。在设计高性能数据采集系统时,除了最大限度地降低噪声之外,还必须考虑由于不准确引起的误差,例如偏移,增益误差,积分非线性(INL)和漂移。

在本系列的第1部分中,我将重点介绍ADC噪声基础知识,同时回答问题并讨论以下主题:

  • 什么是噪音?

  • 噪声来自典型信号链中的哪个位置?

  • 了解ADC中的固有噪声。

  • 高分辨率与低分辨率ADC的噪声有何不同?

在第2部分中,我将重点转移到以下主题:

  • 测量ADC噪声。

  • ADC数据手册中的噪声规范。

  • 绝对与相对噪声参数。

在第3部分中,我将使用电阻桥逐步完成一个完整的设计实例,以帮助说明第1部分和第2部分的理论如何应用于实际应用。

 

什么是噪音,它来自哪里?

噪声是任何不需要的信号(通常是随机的),它会增加所需的信号,导致它偏离其原始值。噪声是所有电气系统中固有的,因此不存在“无噪声”电路。

图1描述了您在现实世界中如何体验噪声:滤除噪声的图像和没有滤波的相同图像。请注意图1左侧图像中的清晰细节,而右侧图像几乎完全被遮挡。在模数转换过程中,结果将是模拟输入和数字输出之间的信息丢失,就像图1中的两个图像几乎没有相似之处。

 

图1:无噪声图像(左); 带噪音的相同图像(右)

 

在电子电路中,噪声有多种形式,包括:

  • 宽带(热,约翰逊)噪声,它是由电导体内部电荷的物理运动引起的与温度有关的噪声。

  • 1 / f(粉红色,闪烁)噪声,是具有与频率成反比的功率密度的低频噪声。

  • 爆米花(爆发)噪音,其本质上是低频率并且由设备缺陷引起,使其随机且在数学上不可预测。

这些形式的噪声可能通过多种来源进入信号链,包括:

  • ADC,提供热噪声和量化噪声的组合。

  • 内部或外部放大器,可以增加ADC然后采样的宽带和1 / f噪声,从而影响输出代码结果。

  • 内部或外部电压基准,也会产生ADC输出代码中出现的宽带和1 / f噪声。

  • 非理想的电源,可能会通过多种耦合方式将噪声添加到您尝试测量的信号中。

  • 内部或外部时钟,它们会产生抖动,转换为非均匀采样。这似乎是正弦输入信号的附加噪声源,对于更高速的ADC通常更为重要。

  • 印刷电路板(PCB)布局不佳,可将来自系统或环境其他部分的噪声耦合到敏感的模拟电路中。

  • 传感器,可以是高分辨率系统中最嘈杂的组件之一。

图2描绘了典型信号链中的这些噪声源。

 

图2.典型供应链中的常见噪声源

 

在这个9部分系列的第1-3部分中,我将仅关注固有的ADC噪声。为了更全面地理解,我将在单独的文章中讨论剩余电路元件中的噪声源。

 

ADC中的固有噪声

您可以将总ADC噪声分解为两个主要来源:量化噪声和热噪声。这两个噪声源是不相关的,这使得根和平方(RSS)方法能够确定总ADC噪声NADC,Total,如公式1所示:

在了解如何减轻固有ADC噪声时,每个ADC噪声源都具有特殊属性。

 

量化噪声

图3描绘了ADC理想传递函数的曲线图(不受偏移或增益误差影响)。传递函数从最小输入电压水平延伸到最大输入电压,并根据沿垂直轴的ADC代码总数分成若干步骤。该特定曲线具有16个代码或步骤,代表4位ADC。(注意:使用直接二进制代码的ADC将具有仅包含第一象限的传递函数。)

 

图3. ADC的理想传递函数

 

量化噪声来自将无限数量的模拟电压映射到有限数量的数字代码的过程。因此,任何单个数字输出都可以对应于几个模拟输入电压,这些电压可能相差½最低有效位(LSB),其在公式2中定义:

其中FSR表示以伏特为单位的满量程范围的值,N是ADC的分辨率。

如果您将此LSB误差映射到量化的交流信号,您将得到如图4所示的曲线图。注意量化的“阶梯”形数字输出与平滑的正弦模拟输入之间的差异。取这两个波形之间的差异并绘制结果会产生图4底部所示的“锯齿”形误差。该误差在±½LSB之间变化,并在结果中显示为噪声。

 

图4.模拟输入,数字输出和LSB误差波形

 

类似地,对于DC信号,与量化相关的误差在输入信号的±½LSB之间变化。然而,由于DC信号没有频率分量,量化“噪声”实际上表现为ADC输出中的偏移误差。

最后,量化噪声的一个明显但重要的结果是ADC无法测量超出其分辨率,因为它无法区分输入中的子LSB变化。

 

热噪声

与量化噪声(模拟 - 数字(或数字 - 模拟)转换过程的副产品)不同,热噪声是由于电导体内的电荷的物理移动而在所有电子部件中固有的现象。因此,即使不应用输入信号,也可以测量热噪声。

不幸的是,ADC终端用户不能影响器件的热噪声,因为它是ADC设计的一个功能。在本文的其余部分中,我将除了量化噪声之外的所有ADC噪声源都称为ADC的热噪声。

图5描绘了时域中的热噪声,其通常具有高斯分布。

 

图5.具有高斯分布的时域中的热噪声

 

虽然不能影响ADC的固有热噪声,但由于其对LSB大小的依赖性,您可能会改变ADC的量化噪声水平。但是,量化这种变化的重要性取决于您使用的是“高分辨率”ADC还是“低分辨率”ADC。让我们快速定义这两个术语,以便您可以更好地了解如何使用LSB大小和量化噪声。

 

高分辨率与低分辨率ADC

低分辨率ADC是总噪声更依赖于量化噪声的任何器件,例如NADC,量化>> NADC,热量。相反,高分辨率ADC是总噪声更依赖于热噪声的任何器件,例如NADC,量化<< NADC,Thermal。低分辨率和高分辨率之间的转换通常发生在16位电平,任何> 16位被认为是高分辨率,任何<16位被认为是低分辨率。虽然并非总是如此,但我将在本系列的其余部分中保留这个一般惯例。

为什么要在16位级别进行区分?我们来看两个ADC数据表。图6显示了德州仪器(TI)的ADS114S08(一个16位delta-sigma ADC)及其24位版本ADS124S08 IC的实际噪声表。除了它们的分辨率,这些ADC是相同的。

 

图6.输入参考噪声为16位ADS114S08(左)和24位ADS124S08(右)μV RMS(μV PP在V)REF = 2.5V,G = 1V / V

 

在16位ADS114S08的噪声表中,无论数据速率如何,所有输入参考噪声电压都相同。将其与24位ADS124S08的输入参考噪声值进行比较,这些噪声值都是不同的,随着数据速率的降低而降低/改善。

虽然这本身并没有得出任何明确的结论,但假设2.5V参考电压,让我们使用公式3和4来计算每个ADC的LSB大小:

结合这些观察结果,您可以看到数据手册中报告的低分辨率(16位)ADC噪声性能等同于其LSB大小(最大量化噪声)。另一方面,高分辨率(24位)ADC数据手册中报告的噪声明显远大于其LSB大小(量化噪声)。在这种情况下,高分辨率ADC的量化噪声非常低,以至于它被热噪声有效地隐藏了。下面的图7定性地表示了这种比较。

 

图7.低分辨率(左)和高分辨率(右)ADC中量化噪声和热噪声的定性表示

 

你如何利用这个结果对你有利?对于量化噪声占主导地位的低分辨率ADC,使用较小的参考电压来降低LSB大小,从而降低量化噪声幅度。这具有降低ADC总噪声的效果,如图8(左)所示。

对于热噪声占主导地位的高分辨率ADC,使用更大的参考电压来增加ADC的输入范围(动态范围),同时确保量化噪声水平保持低于热噪声。假设没有其他系统改变,这种增加的参考电压可以实现更好的信噪比,如图8(右)所示。

 

图8.调整低分辨率(左)和高分辨率(右)ADC中的量化噪声,以提高性能

 

既然您已了解ADC噪声的组成部分以及它们在高分辨率和低分辨率ADC之间的差异,您可以将这些知识用于第2部分,其中我将讨论如何在ADC数据手册中测量和指定噪声。

 

关键要点

以下是有助于更好地理解delta-sigma ADC噪声的重要事项摘要:

  • 噪声是所有电气系统中固有的。

  • 通过所有信号链组件引入噪声。

  • ADC噪声有两种主要类型:

    • 量化噪声,与参考电压成比例。

    • 热噪声,是给定ADC的固定值。

  • 根据ADC的分辨率,一种类型的噪声通常占主导地位:

    • 量化噪声占主导地位。

    • 分辨率通常受LSB大小的限制。

    • 降低参考电压以降低量化噪声并提高分辨率。




关键词: Delta-Sigma     ADC     噪声     IC     半导体    

管理员
2018-08-10 09:04:34    评分
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