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放大器噪声对Delta-Sigma ADC的影响

菜鸟
2018-09-05 11:04:22    评分

在许多数据采集(DAQ)系统中,对低电平输入信号进行精确测量是一项常见的设计挑战。例如,许多工厂自动化应用程序使用可编程逻辑控制器(PLC)根据温度传感器或称重传感器读数做出决策。同样,石油钻井平台使用工业差压流量计来确定 - 以毫升精度 - 从井中移除多少油。

为了测量这些过程变量,许多类型的终端设备采用模拟传感器,例如电阻温度检测器(RTD),热电偶或电阻桥。这些传感器通常输出非常低电平的信号,需要在DAQ系统的本底噪声之上获得。此外,工程师可以通过使用更多的模数转换器(ADC)满量程范围(FSR)来增加动态范围在任何一种情况下,向任何模拟系统增加增益通常需要放大器,放大器可以是分立元件或集成到信号链组件之一,例如ADC。

与将任何组件引入电气系统一样,这些放大器会产生噪声。这种噪音如何影响系统?“解决信号”系列文章的第6和第7部分旨在通过深入了解放大器噪声及其如何影响典型信号链来回答这个问题。 

输出与输入参考噪声

输出参考噪声 - 或称为输出的噪声,V ,RTO - 是在ADC输出端测量的噪声,顾名思义。回想一下本系列的第2部分,ADC制造商用于表征ADC噪声的一种方法是将器件的输入短路并测量输出端的噪声,以确定ADC的固有噪声,如图1所示。

 

测量输出参考噪声

图1.测量输出参考噪声

 

但是,还要记得数据表中实际报告的值通常是输入引用的。与输出噪声类似,输入参考噪声 - 或称为输入的噪声,VN,RTI - 是ADC输入端的噪声。与输出参考噪声不同,输入参考噪声是计算的,而不是测量的。对于没有集成增益级的ADC,输入参考噪声等于输出参考噪声,如公式1所示:

公式1

公式1

为什么ADC制造商将噪声指定为输入参考而不是输出参考?要回答这个问题,通过将ADC与其噪声分离为“无噪声”ADC,然后使用等于ADC输入参考噪声的电压源,有助于创建等效电路噪声模型,如图2所示。

 

无噪声ADC之前的噪声源等于ADC的输入参考噪声

图2. 无噪声ADC之前的噪声源等于ADC的输入参考噪声

 

现在,当您将实际信号输入ADC时,很容易看出您希望将ADC噪声表征为输入参考,因为这定义了系统的输入分辨率。实际上,输入信号与输入参考噪声“竞争”:如果信号的幅度大于输入参考噪声,您将能够观察到它; 否则,信号将被埋没在噪声中,你将无法观察到它。

最后,如果您知道需要解决的最小输入信号,输入参考噪声可以非常快速,轻松地告诉您特定ADC是否可以提供必要的分辨率。虽然这对于输出参考噪声等于输入参考噪声的独立ADC来说不那么重要,但如果在信号路径中添加放大器会发生什么?

 

将放大器添加到ADC的输入

要分析放大器对整体系统噪声的影响,您可以将其与噪声源分开,就像对ADC一样。在这种情况下,您可以将其建模为无噪声放大器,其前面的电压源等于放大器的噪声VN,AMP,如图3所示。此外,您可以假设输入源(V SIGNAL 无噪声,但在实践增益阶段会放大任何传感器噪声。

 

无噪声放大器和无噪声ADC,具有独立的,参考输入噪声源

图3.  无噪声放大器和无噪声ADC,带有独立的,参考输入噪声源

 

由于无法直接测量输入参考噪声,因此需要首先确定系统的输出参考噪声,如图3所示。假设放大器和ADC噪声不相关,请采用根和方(RSS)两个值的关系,以确定总输出参考噪声。

获得输入信号的一个不幸的副作用是你也会增加放大器的噪声。因此,您首先需要通过放大器的增益GAMP来扩展放大器噪声。公式2显示了结果输出参考噪声:

公式2

公式2

您现在可以使用此输出参考噪声方程并将其转换为系统的等效输入参考噪声源。为了实现这一点,首先将图3中的电路图简化为具有等效电路噪声模型的电路图,将两个噪声源组合成一个参考输入噪声源(VN,RTI)。通过允许您确定简单信号链(ADC +放大器)是否具有足够的分辨率,您还可以简化分析。

 

具有一个总输入参考噪声源的无噪声组件

图4.  具有一个总输入参考噪声源的无噪声组件

 

要计算输出参考噪声的输入参考噪声,请将每个噪声项除以电路增益GAMP,如公式3所示:

公式3

公式3

请注意等式2和3中增益项GAMP的位置。在等式2中,放大器的噪声与增益成正比,而在等式3中,ADC的噪声与增益的倒数成比例。在任何一种情况下,如果放大器增益足够大且放大器噪声相当,则ADC噪声可以忽略不计。由此产生的输入参考噪声完全取决于放大器的噪声,由公式4给出。无论放大器是集成到ADC还是分立元件,都是如此。

公式4

公式4

如果在信号链中添加额外的放大器,如图5所示,该怎么办?您可以添加多个分立放大器或带集成放大器的ADC以及外部放大器。

 

无噪声放大器和无噪声ADC,具有独立的,参考输入噪声源

图5. 无噪声放大器和无噪声ADC,带有独立的,参考输入噪声源

 

如前所述,将所有这些噪声项组合成一个输入参考噪声源,并使用等效电路噪声模型,如图6所示。

 

ADC输入端的多个无噪声放大器,具有一个总输入参考噪声源

图6.  ADC输入端的多个无噪声放大器,带有一个总输入参考噪声源

 

您可以使用图6和公式2和3来帮助确定具有n个放大器的扩展信号链的输入参考噪声,由公式5表示:

公式5

公式5

与前面的示例一样,新的输入参考噪声方程取决于信号链中所有器件的噪声贡献。但是,每个项都是通过所有放大器增益乘积的倒数来缩放的,只留下初始项 - 第一个放大器的电压噪声 - 与增益无关。

与公式4类似,这意味着对于大的第一级增益,公式5中的所有其他项有效地接近零,使系统的输入参考噪声仅取决于第一个放大器的噪声。因此,为了在单级和多级放大器配置中获得最佳性能,请选择具有大增益的低噪声第一级放大器ICfans

如公式4所示,对于所有ADC,此选择的效果并不相同。实际上,您可以将较低分辨率的ADC与较高噪声放大器配对,或者使用较大的增益并仍然满足所需的系统噪声性能。此外,即使适度的增益增加,更高分辨率的ADC也可能看不到任何影响。

 

让我们通过观察16位ADS114S08与24 ADS124S08相比,进一步分析这些结论这两个ADC具有不同的分辨率,但在其他方面完全相同,包括具有相同放大器噪声的集成可编程增益放大器(PGA)。它们的相似之处使您可以分析不同ADC分辨率在增益变化时如何影响系统噪声。

 

低与高分辨率ADC

图7显示了增益为1V / V和2V / V时ADS114S08和ADS124S08的输入参考噪声以及所有可用数据速率。如果您选择任何数据速率 - 例如50SPS - 并获取这些增益的输入参考噪声比,那么两个ADC将获得大约2的数据速率。换句话说,当增益增加2倍时,噪声同时降低2倍。在这种情况下,增加增益可以提高较高(24位)和较低分辨率的系统噪声性能(16位)ADC。

 

输入参考噪声(μVRMS[μVPP])表显示G = 1和2V / V  -  SINC3滤波器,AVDD = 3.3V,AVSS = 0V,PGA使能,全局斩波禁用和内部2.5V参考

图7.输入参考噪声(μV RMS [μV PP ])表示G = 1和2V / V表- sinc3滤波器,AVDD = 3.3V,AVSS = 0V,使PGA,全球斩波禁用和内部2.5V基准

 

与图8相比,图8显示了使用64V / V和128V / V的最高增益的相同计算。这里,较低分辨率的ADC保持2的比率,而较高分辨率ADC的比率已降至约1.在后一种情况下,增加增益不再改善噪声性能。是什么导致这种差异?

 

输入参考噪声(μVRMS[μVPP])表显示G = 64和128 V / V  -  SINC3滤波器,AVDD = 3.3V,AVSS = 0V,PGA使能,全局斩波禁用和内部2.5V参考

图8.  输入参考噪声(μV RMS [μV PP ])表示G = 64和128 V / V表- sinc3滤波器,AVDD = 3.3V,AVSS = 0V,使PGA,全球斩波禁用和内部2.5V基准

 

对于较低分辨率(量化噪声占优势)的ADC,增益之间的恒定比率是由于与放大器噪声相比较高的ADC噪声水平。在这种情况下,不满足公式4中规定的条件,因为ADC噪声远大于放大器噪声。每次将增益提高2倍时,ADC噪声确实会降低,但即使在最低电平(G = 128V / V),ADC噪声仍然比放大器噪声更强。因此,您实际上从未“看到”测量中的放大器噪声,使得此特定信号链更少地依赖于放大器的性能,并使您能够使用更大的增益值来改善噪声性能。

对于更高分辨率(热噪声占优势)的ADC,情况正好相反,即使两个ADC都使用相同的放大器。在这种情况下,与放大器噪声乘以增益相比,ADC噪声要低得多,因此满足公式4中的条件。结果,VN,RTI实际上变为常数,导致输入参考噪声几乎没有变化尽管增加了收益。在这种情况下,放大器性能至关重要,并且在许多情况下使用放大器导致比没有放大器的系统更差的系统分辨率。

为了更详细地探索这些要点,请阅读“解析信号”的第7部分,其中我将逐步介绍一个设计示例,该示例将一个高分辨率ADC的输入添加不同的外部放大器,并比较每个组合的系统噪声性能。

 

关键要点

以下是有助于更好地了解放大器噪声如何影响Δ-ΣADC的重要事项摘要:

  • 对于没有增益的信号链,输出参考噪声=输入参考噪声。

  • 输出参考噪声=测量; 输入参考噪声=计算。

    • 输入参考噪声代表系统的输入分辨率。

  • 第一级放大器噪声主导系统输入参考噪声(假设类似的分量噪声值和大的第一级增益)。

    • 使用带有噪声放大器的高分辨率(低噪声)ADC会降低系统性能。

  • 为获得最佳噪声性能,第一级通常配置为低噪声,小信号增益放大器。




关键词: 放大器噪声     Delta-Sigma ADC     半导体    

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