深入探討精密數(shù)據(jù)采集信號鏈的噪聲分析

在很多應(yīng)用中，模擬前端接收單端或差分信號，并執(zhí)行所需的增益或衰減、抗混疊濾波及電平轉(zhuǎn)換，之后在滿量程電平下驅(qū)動(dòng)ADC輸入端。今天我們探討下精密數(shù)據(jù)采集信號鏈的噪聲分析，并深入研究這種信號鏈的總噪聲貢獻(xiàn)。

如圖1所示，低功耗、低噪聲、全差分放大器ADA4940-1驅(qū)動(dòng)差分輸入、18位、1 MSPS PulSAR ADC AD7982，同時(shí)低噪聲精密5 V基準(zhǔn)電壓源ADR435用來提供ADC所需的5 V電源。此信號鏈無需額外驅(qū)動(dòng)器級和基準(zhǔn)電壓緩沖器，簡化了模擬信號調(diào)理，可節(jié)省電路板空間和成本。一個(gè)單極點(diǎn)截止頻率2.7 MHz RC(22 ?，2.7 nF)低通濾波器放在ADC驅(qū)動(dòng)器輸出和ADC輸入之間，有助于限制ADC輸入端噪聲，并減少來自逐次逼近型(SAR) ADC輸入端容性DAC的反沖。

圖1. 低功耗全差分18位1 MSPS數(shù)據(jù)采集信號鏈（簡化示意圖：未顯示所有連接和去耦）。

ADA4940-1用作ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶可以進(jìn)行必要的信號調(diào)理，包括對信號實(shí)施電平轉(zhuǎn)換和衰減或放大，以便使用四個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)更大動(dòng)態(tài)范圍，從而不再需要額外的驅(qū)動(dòng)器級。采用反饋電阻(R2 = R4)對增益電阻(R1 = R3)之比設(shè)置增益，其中R1 = R2 =R3 = R4 = 1 kΩ。

對于平衡差分輸入信號，等效輸入阻抗為2×增益電阻(R1或R3)= 2 kΩ，對于非平衡(單端)輸入信號，等效阻抗根據(jù)下式計(jì)算，約為1.33 kΩ。

如果需要可以在輸入端并聯(lián)一個(gè)終端電阻。ADA4940-1內(nèi)部共模反饋環(huán)路強(qiáng)制共模輸出電壓等于施加到V_OCM輸入的電壓，同時(shí)提供出色的輸出平衡。當(dāng)兩個(gè)反饋系數(shù)（β1和β2）不相等時(shí)，差分輸出電壓取決于V_OCM；此時(shí)，輸出幅度或相位的任何不平衡都會(huì)在輸出端產(chǎn)生不良共模成分，導(dǎo)致差分輸出中有冗余噪聲和失調(diào)。因此，在這種情況下（即，β1 =β2），輸入源阻抗和R1 (R3)的組合應(yīng)等于1 kΩ，以避免各輸出信號的共模電壓失配，并防止ADA4940-1的共模噪聲增加。

信號在印刷電路板(PCB)的走線以及長電纜中傳輸時(shí)，系統(tǒng)噪聲會(huì)疊加到信號中，差分輸入ADC會(huì)抑制信號噪聲，并表現(xiàn)為一個(gè)共模電壓。這款18位1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的預(yù)期信噪比(SNR)理論值可通過每個(gè)噪聲源（ADA4940-1、ADR435和AD7982）的和方根(RSS)計(jì)算得到。

ADA4940-1在100 kHz時(shí)的低噪聲性能典型值為3.9 nV/√Hz，如圖2所示。

圖2. ADA4940輸入電壓噪聲頻譜密度和頻率的關(guān)系。

必須計(jì)算差分放大器的噪聲增益，以便找到等效輸出噪聲貢獻(xiàn)。差分放大器的噪聲增益為：

其中

以及

是兩個(gè)反饋系數(shù)。

應(yīng)當(dāng)考慮下列差分放大器噪聲源：

由于ADA4940-1輸入電壓噪聲為3.9 nV/√Hz，其差分輸出噪聲應(yīng)當(dāng)為7.8 nV/√Hz。ADA4940-1數(shù)據(jù)手冊中的共模輸入電壓噪聲(eOCM)為83 nV/√Hz，因此其輸出噪聲為

給定帶寬條件下，R1、R2、R3和R4電阻噪聲可根據(jù)約翰遜-奈奎斯特噪聲方程計(jì)算：

其中k_B是玻爾茲曼常數(shù)(1.38065 × 10 – 23 J/K)，T為電阻絕對溫度（開爾文），而R為電阻值(Ω)。來自反饋電阻的噪聲為：

來自R1的噪聲為：

來自R3的噪聲為：

ADA4940-1數(shù)據(jù)手冊中的電流噪聲為0.81 pA/√Hz。

反相輸入電壓噪聲:

同相輸入電壓噪聲：

因此，來自ADA4940的等效輸出噪聲貢獻(xiàn)為：

（RC濾波器之后）的ADC輸入端總積分噪聲為：

AD7982的均方根噪聲可根據(jù)5 V基準(zhǔn)電壓源情況下的典型信噪比(SNR, 98 dB)計(jì)算得到。

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，ADC驅(qū)動(dòng)器和ADC的總噪聲貢獻(xiàn)為

注意，本例中忽略來自ADR435基準(zhǔn)電壓源的噪聲貢獻(xiàn)，因?yàn)樗浅Ｐ　?/span>

因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理論SNR可根據(jù)下式近似計(jì)算

圖3. FFT曲線圖，fIN = 1 kHz，F(xiàn)S = 1 MSPS (將ADA4940-1配置成全差分驅(qū)動(dòng)器)。

AD7982在1 kHz輸入信號時(shí)，SNR典型值為96.67 dB，THD典型值為–111.03 dB，如圖3中的FFT性能所示。這種情況下測得的SNR為96.67 dB，非常接近上文中的96.95 dB SNR理論估算值。數(shù)據(jù)手冊中98 dB的目標(biāo)SNR的實(shí)際損耗由來自ADA4940-1差分放大器電路的等效輸出噪聲貢獻(xiàn)所導(dǎo)致。

針對給定應(yīng)用選擇ADC驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)SAR ADC時(shí)，噪聲是一個(gè)重要規(guī)格，但詳細(xì)查閱帶寬、建立時(shí)間、輸入和輸出上裕量/下裕量以及功耗要求也很重要。

查看往期內(nèi)容↓↓↓