作者：Rose DelaneyandPasquale Delizia

本文介紹了對高速寬帶寬信號鏈的噪聲性能進(jìn)行理論分析所需的步驟。盡管選擇了特定的信號鏈進(jìn)行分析，但突出顯示的步驟可以認(rèn)為對任何類型的信號鏈都有效。建議五個(gè)主要階段：聲明假設(shè)，繪制鏈信號的簡化原理圖，計(jì)算每個(gè)信號鏈模塊的等效噪聲帶寬，計(jì)算所有模塊在信號鏈輸出端的噪聲貢獻(xiàn)，以及添加所有噪聲貢獻(xiàn)。分析顯示了如何使用簡單的數(shù)學(xué)來描述所有噪聲貢獻(xiàn)。了解每個(gè)模塊如何影響整體噪聲，設(shè)計(jì)人員可以適當(dāng)?shù)匦薷脑O(shè)計(jì)（例如，組件的選擇）以優(yōu)化其噪聲性能。

介紹

在 設(shè)計(jì) 測量 信號 鏈 時(shí)， 必須 通過 噪聲 分析 確定 信號 鏈 解決 方案 的 噪聲 是否 足夠低， 以便 輕松 提取 最小 的 目標(biāo) 信號。徹底的噪聲分析可以在生產(chǎn)過程中節(jié)省時(shí)間和金錢。本文將概述進(jìn)行信號鏈噪聲分析所需的主要步驟。

圖1.精密寬帶寬電流/電壓測量功率優(yōu)化信號鏈。

分析分為五個(gè)主要步驟：

1. 聲明假設(shè)

2. 繪制鏈信號的簡化示意圖

3. 計(jì)算每個(gè)信號鏈模塊的等效噪聲帶寬

4. 計(jì)算所有模塊在信號鏈輸出端的噪聲貢獻(xiàn)

5. 添加所有噪聲貢獻(xiàn)

1. 聲明假設(shè)

對于噪聲分析或?qū)π盘栨滊娐穲?zhí)行的任何分析，重要的是要概述對信號鏈中每個(gè)模塊所做的假設(shè)。概述了為這項(xiàng)工作所做的一些假設(shè)：

保護(hù)塊

假設(shè)保護(hù)塊不會增加任何明顯的噪音。該模塊的噪聲將由保護(hù)開關(guān)塊的小導(dǎo)通電阻引起。在以下示例中，我們使用導(dǎo)通電阻為11 Ω的ADG5421F，因此產(chǎn)生的噪聲頻譜密度（NSD）為0.43 nV/√Hz。由于該值比增益模塊的最低NSD小18倍，因此無需考慮。如果實(shí)施額外的保護(hù)措施（TVS二極管等），還需要考慮這些保護(hù)措施。

信號濾波模塊

假設(shè)信號濾波模塊只有一個(gè)極點(diǎn)。假設(shè)考慮到被檢查的帶寬（400 kHz）與采樣頻率（15 MSPS）的單極點(diǎn)就足夠了。

參考塊

假設(shè)來自基準(zhǔn)電壓模塊的噪聲可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗x的基準(zhǔn)電壓具有出色的噪聲性能（0.25 p-p（10 Hz至1 kHz）和0.21 ppm rms（10 Hz至1 kHz）），因此不包括在分析中。這是特定于此信號鏈?zhǔn)纠?，如果使用不同的信號鏈和基?zhǔn)電壓源，則需要進(jìn)一步分析。

隔離塊

不考慮來自隔離塊的噪聲。

其他假設(shè)

分析在 25°C （298.15 K） 的溫度下進(jìn)行。

假設(shè)給定模塊的NSD在采樣頻率上是均勻的。僅考慮熱噪聲。

對于ADC，取總噪聲（kTC和其他噪聲源）。

采樣頻率（15 MSPS）遠(yuǎn)大于正在檢查的帶寬（400 kHz）。

2. 繪制信號鏈的簡化原理圖

從信號鏈解決方案（見圖1）中，為以下每個(gè)階段生成一個(gè)簡化的原理圖（見圖2）：

增益模塊

信號濾波器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器

ADC 輸入 RC 濾波器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

我們還可以注意到：

增益級被視為黑匣子，因?yàn)樗脑肼曅阅芑谄湓鲆娌⒖紤]所有內(nèi)部噪聲源。這意味著增益級產(chǎn)生的噪聲可以直接使用數(shù)據(jù)手冊中增益放大器的NSD值計(jì)算。增益選擇完全包含在增益級內(nèi)。

信號濾波器嵌入在驅(qū)動器中。選擇使用無源濾波器會降低總功耗，這是所分析信號鏈的主要屬性之一。通過這樣做，R 的值濾波器， RG和 RF需要仔細(xì)選擇以確?？傂盘栐鲆鏋?，如圖4所示。R 的值G對信號濾波器的帶寬貢獻(xiàn)如下：

哪里

RC網(wǎng)絡(luò)級的分量值發(fā)生在ADC采樣之前，使用精密ADC驅(qū)動器工具找到。此工具的默認(rèn)值用于信號鏈分析計(jì)算。這些值也可以在產(chǎn)品數(shù)據(jù)表上找到或計(jì)算。2

圖2.簡化的信號鏈。

3. 和 4.計(jì)算每個(gè)信號鏈模塊的等效噪聲帶寬（ENB），并計(jì)算所有模塊在信號鏈輸出端的噪聲貢獻(xiàn)

在本節(jié)中，我們將單獨(dú)計(jì)算所有模塊的等效噪聲帶寬和噪聲貢獻(xiàn)。

需要注意的關(guān)鍵公式：

電阻的NSD可通過以下公式找到：

等效噪聲帶寬（ENB）是磚墻濾波器的帶寬，其產(chǎn)生的集成噪聲功率與實(shí)現(xiàn)的濾波器相同。3

信號鏈模塊的ENB計(jì)算公式為：

對于單極系統(tǒng)：

對于 2 極系統(tǒng)：

注意：此CAN公式僅適用于此ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC網(wǎng)絡(luò)生成的2極點(diǎn)濾波器的組合。使用不同的過濾器組合時(shí)，可能需要不同的注意事項(xiàng)。

對于具有兩個(gè)或更多極的系統(tǒng)，請參閱表 1。噪聲帶寬比用于計(jì)算ENB。3

極數(shù)	噪聲帶寬比
1	1.57
2	1.22
3	1.16
4	1.13
5	1.11

當(dāng)無源濾波器用于信號濾波器時(shí)，以下分析適用，如圖3所示。

注意：對于信號濾波器中的此分析

這樣做是為了避免驅(qū)動器級的增益，因?yàn)槲覀冎幌Ｍ鲆姘l(fā)生在增益模塊中。同樣

如圖 4 所示。

增益模塊

增益模塊產(chǎn)生的噪聲由濾波器模塊濾除，濾波器模塊的帶寬遠(yuǎn)低于ADC驅(qū)動輸出RC網(wǎng)絡(luò)和ADC輸入采樣網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的濾波器。

NSD值考慮了增益模塊的所有噪聲源，并在數(shù)據(jù)手冊中給出。

圖3.用于噪聲分析的原理圖部分。

圖4.設(shè)置電阻值以進(jìn)行噪聲分析。

用于信號濾波器

信號濾波器或抗混疊濾波器應(yīng)設(shè)計(jì)為在鏈中的下一個(gè)全差分放大器（FDA）級中保持1的增益。這意味著將FDA輸入電阻分成兩個(gè)相等的電阻 - 一個(gè)用于無源信號濾波器，另一個(gè)用于FDA的輸入：

濾波電阻（R_filter）產(chǎn)生的噪聲由濾波器本身濾除，其帶寬遠(yuǎn)低于ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC產(chǎn)生的組合濾波器。

這與差分方案有關(guān)。

用于 ADC 驅(qū)動器放大器電阻器

放大器電阻產(chǎn)生的噪聲（R司機(jī)和 R司機(jī)圖4中突出顯示的/2）由信號鏈接下來兩個(gè)模塊中存在的組合濾波器進(jìn)行濾波。

這是一個(gè)二階濾波器，由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC組成。

2 與微分方案有關(guān)。

4與噪聲增益有關(guān)：

2 與微分方案有關(guān)。

它們在同一步驟中組合，如下所示：

用于驅(qū)動器放大器

放大器驅(qū)動器產(chǎn)生的噪聲由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC產(chǎn)生的組合濾波器濾除。

二階濾波器

9與放大器噪聲增益有關(guān)：

ADC 輸入 RC 濾波器

ADC輸入RC濾波器網(wǎng)絡(luò)中電阻產(chǎn)生的噪聲由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC產(chǎn)生的組合濾波器濾除。

二階濾波器

2 與微分方案有關(guān)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

ADC產(chǎn)生的噪聲可以直接添加，并從數(shù)據(jù)手冊中計(jì)算。

–以dBFS為單位的滿量程幅度和信噪比（SNR）可以從數(shù)據(jù)手冊中找到。

5. 計(jì)算信號鏈的噪聲

要添加所有噪聲貢獻(xiàn)，請使用和方根方法：

噪聲頻譜密度

噪聲頻譜密度（NSD）可以考慮ADC采樣頻率來計(jì)算。

需要注意的要點(diǎn)

不同器件的NSD只有在相同帶寬上測量時(shí)才能直接添加。

信號濾波電阻值的選擇取決于噪聲與信號鏈功耗的應(yīng)用要求以及所檢查的帶寬。

有關(guān)進(jìn)一步的I&V噪聲、帶寬和功耗分析：

摘要表

圖5.摘要表。

增益模塊
信號濾波器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器

ADC 輸入 RC 濾波器
模數(shù)轉(zhuǎn)換器

圖6.工作的例子。

獲得	噪聲增益級LTC6373	噪聲信號濾波器	噪聲驅(qū)動器放大器電阻器	噪聲驅(qū)動器放大器ADA4945	噪聲ADC 輸入 RC 濾波器	噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC2387	噪聲總（RSS 方法）
0.25	8.30	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	91.3
0.5	10.5	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	91.6
1	14.8	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	92.2
2	19.3	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	93.0
4	30.1	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	95.8
8	53.3	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	105
16	101	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	136

*以上測量值均為μV rms

結(jié)論

通過執(zhí)行這些步驟，設(shè)計(jì)人員將能夠分析和計(jì)算所選信號鏈的噪聲性能。該分析提供了有關(guān)信號鏈中不同組件如何影響噪聲性能以及如何最小化噪聲性能的有用見解（例如，更改電阻的尺寸、更改組件或最小化等效噪聲帶寬）。因此，設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建一個(gè)方案，確保信號鏈提取最小的目標(biāo)信號，從而節(jié)省時(shí)間和金錢。

附錄

其他配置：

可以選擇使用有源濾波器而不是無源濾波器，如圖7所示。

選擇在信號鏈中使用有源濾波器還是無源濾波器將取決于應(yīng)用。分析中使用的有源濾波器具有低電流消耗和低噪聲。但是，它可能不適合某些應(yīng)用，因?yàn)樗氖д嫘阅茉谡麄€(gè)頻率范圍內(nèi)并不好。

如果選擇了有源濾波器，則需要對計(jì)算進(jìn)行更改：

用于信號濾波器

有源濾波器：

2 與微分方案有關(guān)。

選擇R濾波器以保持1的增益。

用于濾波放大器

當(dāng)使用有源濾波器版本時(shí)，濾波器放大器會產(chǎn)生噪聲，濾波器放大器構(gòu)成有源濾波器的一部分。這對于與無源濾波電路一起使用不是必需的，因?yàn)闆]有使用濾波放大器。

用于 ADC 驅(qū)動器放大器電阻器

有源濾波器：

2 與微分方案有關(guān)。

注意：有源濾波器電路中放大器驅(qū)動器的噪聲增益為1：

2 與微分方案有關(guān)。

用于驅(qū)動器放大器

有源濾波器：

4與放大器噪聲增益有關(guān)：

在這里，我們可以使用單端等效電路，其所有噪聲都出現(xiàn)在運(yùn)算放大器的正輸入端。

所有其他計(jì)算仍如前所述。

圖7.活動過濾器配置。

審核編輯：郭婷