Σ ADC中有關(guān)噪聲的十大問(wèn)題

關(guān)鍵詞： Δ-Σ , ADC , 模數(shù)轉(zhuǎn)換 , ADS1261

作者：Bryan Lizon

任何高分辨率信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的基本挑戰(zhàn)之一是確保系統(tǒng)本底噪聲足夠低，以便模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）能夠分辨您感興趣的信號(hào)。例如，如果您選擇德州儀器ADS1261（一個(gè)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的信號(hào)。

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。

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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。

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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荚肼暋Ｎ壹哟执硕陶Z(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。