【導讀】本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)對(dui)高(gao)速(su)寬(kuan)帶(dai)寬(kuan)信(xin)號(hao)鏈(lian)進(jin)行(xing)噪(zao)聲(sheng)性(xing)能(neng)理(li)論(lun)分(fen)析(xi)的(de)各(ge)個(ge)步(bu)驟(zhou)。盡(jin)管(guan)選(xuan)擇(ze)了(le)一(yi)個(ge)特(te)定(ding)信(xin)號(hao)鏈(lian)


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簡介

設(she)計(ji)測(ce)量(liang)信(xin)號(hao)鏈(lian)時(shi)，重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)通(tong)過(guo)噪(zao)聲(sheng)分(fen)析(xi)來(lai)確(que)定(ding)信(xin)號(hao)鏈(lian)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)否(fou)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)低(di)的(de)噪(zao)聲(sheng)

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圖1.精密寬帶寬電流/電壓測量功率優化型信號鏈

分析分為五個主要步驟：

1. 給出假設

2. 繪製信號鏈的簡化原理圖

3. 計算每個信號鏈模塊的等效噪聲帶寬

4. 計算各個模塊在信號鏈輸出端的噪聲貢獻

5. 將所有噪聲貢獻相加

1. 給出假設

對於噪聲分析或在信號鏈電路上執行的任何分析
，重要的是列出為信號鏈中每個模塊所做的假設。下麵是為本文的工作所做的一些假設：

●    保護模塊

    ○ 假設保護模塊不增加任何顯著的噪聲。來自該模塊的噪聲是由保護開關模塊的較小導通電阻引起的。在以下示例中，我們使用 ADG5421F 其具有11Ω的導通電阻
，因此產生0.43 nV/√Hz的噪聲譜密度(NSD)。此值隻有增益模塊最低NSD的1/18
，因此不需要考慮。如果實施了額外的保護措施（TVS二極管等）
，則還需要考慮這些保護措施。 Signal filtering block

●    信號濾波模塊

    ○ 假設信號濾波模塊僅有一個極點。考慮到所要研究的帶寬(400 kHz)與采樣頻率(15 MSPS)
，假設單極點是足夠的。

●    基準電壓模塊

    ○ 假設來自基準電壓模塊的噪聲可以忽略不計，因為所選擇的基準電壓源具有優異的噪聲性能——0.25 p-p（10 Hz至1 kHz）和0.21 ppm rms（10 Hz至1 kHz），因此不納入分析中。這是該信號鏈示例所特定的，如果使用不同的信號鏈和基準電壓源，則需要進一步分析1。

●    隔離模塊

    ○ 不考慮來自隔離模塊的噪聲。

●    其他假設

    ○ 分析在25°C (298.15 K)的溫度下進行。

    ○ 假設給定模塊的NSD在采樣頻率上是均勻的。隻考慮熱噪聲。

    ○ 對於ADC，取總噪聲（kTC和額外的噪聲源）。

    ○ 采樣頻率(15 MSPS)遠大於所研究的帶寬(400 kHz)。

2. 繪製信號鏈的簡化原理圖

根據信號鏈解決方案（參見圖1）
，為以下各級繪製簡化的原理圖（參見圖2）：

●    增益模塊

●    信號濾波器

●    ADC驅動器

●    ADC輸入RC濾波器

●    ADC

我們還可以注意到：

●    增益級被視為黑匣子，因為其噪聲性能基於增益並考慮了所有內部噪聲源。這意味著可以使用數據手冊中增益放大器的NSD值來直接計算增益級中產生的噪聲。增益選擇完全包含在增益級內。

●    信號濾波器嵌入驅動器內。使用無源濾波器可降低整體功耗
，這是被分析信號鏈的主要特性之一。這種情況下，需要仔細選擇Rfilter、RG和RF的值，以確保整體信號增益為1，圖4突出顯示了這一點。RG的值對信號濾波器的帶寬有貢獻，如下所示：

其中

使用 精密ADC驅動器工具計算RC網絡（在ADC采樣之前）的元件值。此工具中的默認值用於信號鏈分析計算。這些值也可以在產品數據手冊上找到或計算出來2。

圖2.簡化信號鏈

3.和4. 計算每個信號鏈模塊的等效噪聲帶寬(ENB)
，並計算各個模塊在信號鏈輸出端的噪聲貢獻

本部分將單獨計算各個模塊的等效噪聲帶寬和噪聲貢獻。

需注意的主要公式：

●    電阻的NSD可計算如下：

●    等效噪聲帶寬(ENB)是產生與所實現的濾波器相同的積分噪聲功率的磚牆濾波器的帶寬3。

●    信號鏈模塊的ENB計算如下：

    ○ 對於單極點係統：

    ○ 對於雙極點係統：

    ○ 注意：此公式僅適用於該ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC網絡產生的雙極點濾波器的組合。使用不同的濾波器組合時，可能需要考慮其他因素。

●    對於具有兩個或更多極點的係統
，請參閱表1。噪聲帶寬比用於計算ENB 3。

表1.噪聲帶寬比與極點數的關係

如圖3所示，當將無源濾波器用於信號濾波器時，以下分析適用。

注意：對於此分析
，信號濾波器中

這樣做是為了避免在驅動器級獲得增益，因為我們隻希望在增益模塊中產生增益。另外，Rdriver = RF，如圖4所示。

增益模塊

●    增益模塊產生的噪聲由濾波器模塊濾除，其帶寬遠低於由ADC驅動器輸出RC網絡和ADC輸入采樣網絡產生的濾波器的帶寬。

●   

●   

    ○ NSD值考慮了增益模塊的所有噪聲源，並在數據手冊中給出。

圖3.噪聲分析的原理圖部分

圖4.設置電阻值進行噪聲分析

針對信號濾波器

●    信號濾波器或抗混疊濾波器應特別設計，使得信號鏈接下來的全差分放大器(FDA)級保持增益為1。這意味著要將FDA輸入電阻分成兩個相等電阻：一個用於無源信號濾波器，另一個用於FDA的輸入端：

濾波器電阻(R_filter)產生的噪聲由濾波器本身濾除，其帶寬遠低於由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC產生的組合濾波器的帶寬。

    ○ 2與差分方案有關。

針對ADC驅動放大器電阻

●    放大器電阻（圖4中突出顯示的Rdriver和Rdriver/2）產生的噪聲由信號鏈中接下來兩個模塊中存在的組合濾波器濾除。

    ○ 這是一個二階濾波器，由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC組成。

●   

●   

    ○ 2與差分方案有關。

    ○ 4與噪聲增益有關：

●   

    ○ 2與差分方案有關。

這些噪聲在同一步驟中合並如下：

針對驅動放大器

●    放大器驅動器產生的噪聲由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC所產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：

ADC輸入RC濾波器

●    ADC輸入RC濾波器網絡中的電阻產生的噪聲由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC所產生的組合濾波器濾除。

    ○ 二階濾波器

●   

●   

    ○ 2與差分方案有關。

ADC

●    ADC產生的噪聲可以直接從數據手冊找到和計算。

    ○

-滿量程幅度和信噪比（SNR，單位為dBFS）可以在數據手冊中找到。

5. 計算信號鏈的噪聲

●    要將所有噪聲貢獻相加，請使用平方和開根號的方法：

    ○

噪聲譜密度

●    考慮ADC采樣頻率，可以計算噪聲譜密度(NSD)。

●   

重點注意事項

●    隻有在相同帶寬上測量，才能將不同器件的NSD直接相加。

●    信號濾波器電阻值的選擇取決於應用的噪聲要求、信號鏈的功耗和所研究的帶寬。

進一步的電流/電壓噪聲、帶寬和功耗分析：

摘要表

圖5.摘要表

表2.差分信號鏈的各噪聲源

圖6.範例。

表3.圖6示例中不同級的噪聲貢獻

*以上測量的單位全部是μV rms

結論

通過以上步驟

，設計者將能夠分析和計算所選信號鏈的噪聲性能。關於信號鏈中不同元器件如何影響噪聲性能，以及如何使噪聲最小化（例如，改變電阻大小
、改變元器件或使等效噪聲帶寬最小）
，分析將會提供有用的見解。這樣，設計人員就可以創建一份提議，確保信號鏈能夠提取極小的目標信號，幫助節省時間和金錢。

附錄

其他配置：

有一個選擇是使用有源濾波器，而不是無源濾波器，如圖7所示。

xuanzezaixinhaolianzhongshiyongyouyuanhaishiwuyuanlvboqi，jiangqujueyuyingyong。fenxizhongshiyongdeyouyuanlvboqijuyoudigonghaohedizaoshengtexing。danshi，qizaizhenggepinlvfanweineideshizhenxingnengbutaihao，kenengbushihemouxieyingyong。

如果選擇有源濾波器，則必須更改計算：

針對信號濾波器

有源濾波器：

●   

    ○ 2與差分方案有關。

●    選擇Rfilter以保持增益為1。

針對濾波放大器

當使用有源濾波器時，作為有源濾波器一部分的放大器會產生噪聲。無源濾波器電路沒有使用濾波器放大器，因此這是不需要的。

●   

●   

針對ADC驅動放大器電阻

有源濾波器：

●     

    ○ 2與差分方案有關。

    ○ 注意：有源濾波電路中放大器驅動器的噪聲增益為1：

●   

    ○ 2與差分方案有關。

這些噪聲合並如下：

    ○

針對驅動放大器

有源濾波器：

●   

    ○ 4與放大器噪聲增益有關：

這是所使用放大器驅動器特定的。

    ○ 這裏
，我們可以使用單端等效電路，其所有噪聲都出現在運算放大器的正輸入端。

所有其他計算仍然如上所述。

圖7.有源濾波器配置

參考電路

¹ Alan Walsh。“精密逐次逼近型ADC的基準電壓源設計” 。《模擬對話》，第47卷第2期

，2013年6月。

² Alan Walsh “麵向精密SAR模數轉換器的前端放大器和RC濾波器設計” 。模擬對話
，第46卷第4期，2012年12月。

³ Tim J. Sobering。“技術筆記1：等效噪聲帶寬” 。堪薩斯州立大學。1991年5月。

⁴“ 教程MT-048：運算放大器噪聲關係：1/f噪聲、RMS噪聲和等效噪聲帶寬” 。ADI公司，2009年。

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