解析信号第6部分：放大器噪声对Delta-Sigma模数转换器的影响

发布人：电子资料库时间：2023-01-07 来源：工程师发布文章

本系列文章共12篇，主要讨论delta-sigma-adc中噪声的影响。解析信号系列的第6部分重点讨论输出与输入相关的噪声，在ADC的输入端添加放大器，以及与放大器噪声相关的低分辨率与高分辨率ADC。

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个常见的设计难题。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。类似地，石油钻井平台使用工业差压流量计，以毫升精度确定一口井排出的石油量。

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，如电阻温度检测器（RTD）、热电偶或电阻电桥。这些传感器通常会输出非常低的信号，这些信号需要在DAQ系统的噪声底限之上获得。此外，工程师可以使用增益通过使用更多模数转换器满标度范围（FSR）。在任何一种情况下，向任何模拟系统增加增益通常需要一个放大器，该放大器可以是分立元件，也可以集成到信号链元件之一，例如ADC。

与将任何元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？“解析信号”系列文章的第6部分和第7部分通过深入了解放大器噪声及其对典型信号链的影响来回答这个问题。

第6部分重点讨论这些与放大器噪声有关的主题：

输出与输入参考噪声
在ADC的输入端增加一个放大器。
低分辨率与高分辨率adc。

第五部分继续探索有效的噪声带宽，因为它与delta-sigma adc和系统级设计有关。第7部分将提供一个详细的设计实例，使用商用adc和放大器来补充和扩展本文所探讨的理论。

输出与输入参考噪声

输出参考噪声-或指输出的噪声，VN，RTO-顾名思义，是在ADC输出端测得的噪声。召回第二部分在这个系列中，ADC制造商用来描述ADC噪声的一种方法是将设备的输入端短接在一起，并测量输出端的噪声，以确定ADC的固有噪声，如图1所示。

图1测量输出参考噪声

但是，还要记住，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-或噪声参考输入，VN，RTI-是ADC输入处的噪声。与输出参考噪声不同，输入参考噪声是计算出来的，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，如等式1所示：

方程式1

为什么ADC制造商指定噪声作为输入参考而不是输出参考？为了回答这个问题，它有助于创建一个等效电路噪声模型，方法是将ADC与其噪声分离成一个“无噪声”ADC，前面是一个与ADC输入参考噪声相等的电压源，如图2所示。

图2无噪声ADC前面的噪声源等于ADC的输入参考噪声

现在，当你把一个真实的信号输入到ADC中，很容易看出你想要ADC噪声被描述为输入，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”：如果信号的振幅大于输入参考噪声，您将能够观察到它；否则，信号将被掩埋在噪音中，你将无法观察到它。

最终，如果你知道你需要解决的最小输入信号，输入参考噪声告诉你，如果一个特定的ADC可以提供必要的分辨率非常迅速和容易。虽然这对于独立的adc来说不那么重要，因为输出参考噪声等于输入参考噪声，但是如果在信号通路中添加一个放大器，会发生什么？

在ADC的输入端增加一个放大器

要分析放大器对整个系统噪声的影响，可以将其与噪声源分离，就像对ADC所做的那样。在这种情况下，您可以将其建模为一个无噪声放大器，前面有一个与放大器的噪声VN，AMP相等的电压源，如图3所示信号 )是无噪声的，尽管在实践中增益级会放大任何传感器噪声。

图3带独立输入噪声源的无噪声放大器和无噪声ADC

由于不能直接测量输入参考噪声，需要首先确定图3所示系统的输出参考噪声。假设放大器和ADC噪声不相关，取两个值的平方根（RSS）来确定总输出参考噪声。

增加输入信号的一个不幸的副作用是你也增加了放大器的噪声。因此，首先需要按放大器的增益GAMP来缩放放大器噪声。方程式2显示了产生的输出参考噪声：

方程式2

现在可以使用这个输出参考噪声方程，并将其转换为系统的等效输入参考噪声源。为此，首先将图3中的电路图简化为等效电路噪声模型，将两个噪声源合并为一个输入噪声源（VN，RTI）。这也简化了您的分析，允许您确定简单的信号链（ADC放大器）是否有足够的分辨率来满足您的应用。

图4一个总输入参考噪声源的无噪声分量

为了从输出参考噪声中计算输入参考噪声，将每个单独的噪声项除以电路增益GAMP，如等式3所示：

方程式3

注意增益项GAMP在方程2和3中的位置。在方程2中，放大器的噪声与增益成正比，而在方程3中，ADC的噪声与增益的倒数成正比。在这两种情况下，给定足够大的放大器增益和可比较的放大器噪声，ADC噪声变得可以忽略不计。由此产生的输入参考噪声完全依赖于放大器的噪声，由方程4给出。无论放大器是否集成到ADC中，或是一个分立元件，都是如此。

方程式4

如果在信号链中添加额外的放大器，如图5所示？你可以添加多个离散放大器或一个带集成放大器和外部放大器的ADC。

图5无噪声放大器和带独立输入噪声源的无噪声ADC

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。

图6在一个ADC的输入端有多个无噪声放大器，有一个总输入参考噪声源

您可以使用图6和等式2和3来帮助确定此扩展信号链的输入参考噪声，该扩展信号链有n个放大器，用等式5表示：

方程式5

如前一示例中所述，新的输入参考噪声方程取决于信号链中所有设备的噪声贡献。然而，每个项都是按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。

与方程4类似，这意味着在大的第一级增益的情况下，方程5中的所有其他项有效地接近于零，使得系统的输入参考噪声仅依赖于第一放大器的噪声。因此，为了在单级和多级放大器配置中获得最佳性能，请选择低噪声、大增益的第一级放大器。

如等式4所示，这种选择的效果并不等于所有的ADC。事实上，您可以将较低分辨率的ADC与较高的噪声放大器配对，或者使用更大的增益，但仍能满足所需的系统噪声性能。此外，更高分辨率的ADC可能看不到任何影响，即使是适度的增益增加。

让我们通过16位来进一步分析这些结论ADS114S08与24位ADS124S08相比。这两个adc具有不同的分辨率，但在其他方面是相同的，包括集成可编程增益放大器（PGA）具有相同的放大器噪声。它们的相似性允许您分析不同的ADC分辨率如何随增益变化而影响系统噪声。

低分辨率与高分辨率ADC

图7显示了ADS114S08和ADS124S08以1V/V和2V/V的增益和所有可用的数据速率。如果您选择任何数据速率（例如50SPS），并取这些增益下输入参考噪声的比率，则两个ADC都将得到大约2。换言之，当增益增加2倍时，噪声同时降低2倍。在这种情况下，增加增益可提高高分辨率（24位）和低分辨率（16位）ADC的系统噪声性能。

图7输入参考噪声（µV有效值[微伏]第页])

注：表格显示G=1和2V/V–SINC3滤波器，AVDD=3.3V，AVSS=0V，PGA启用，全局斩波禁用和内部2.5V参考电压

将其与图8进行比较，图8显示了使用64V/V和128V/V的最高增益进行的相同计算。在这里，较低分辨率的ADC保持了2的比率，而高分辨率ADC的比率已经降低到大约1。在后一种情况下，增加增益不再改善噪声性能。是什么导致了这种差异？

图8输入参考噪声（µV有效值[微伏]第页])

注：表格显示G=64和128 V/V–SINC3滤波器，AVDD=3.3V，AVSS=0V，PGA启用，全局斩波禁用和内部2.5V参考电压

对于低分辨率（量化噪声占主导地位）的ADC，与放大器噪声相比，ADC噪声的高电平导致增益之间的恒定比率。在这种情况下，不满足等式4中所述的条件，因为ADC噪声远大于放大器噪声。每次将增益增加2倍时，ADC噪声确实会降低，但即使在其最低电平（G=128V/V）时，ADC噪声仍然比放大器噪声占主导地位。因此，在测量中，您实际上从未“看到”放大器噪声，这使得此特定信号链对放大器性能的依赖性降低，并使您能够使用更大的增益值潜在地改善噪声性能。

对于高分辨率（以热噪声为主）的adc，情况正好相反，即使两个adc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，因此满足等式4中的条件。因此，VN，RTI有效地变为常数，导致尽管增益增加，输入参考噪声性能几乎没有变化。在这种情况下，放大器的性能是至关重要的，在许多情况下，使用放大器会导致比根本没有放大器的系统更差的系统分辨率。

要更详细地探讨这些要点，请阅读“解析信号”的第7部分，我将逐步介绍一个设计示例，该示例将不同的外部放大器添加到一个高分辨率ADC的输入，并比较每个组合的系统噪声性能。

主要收获

以下是一些要点的摘要，有助于更好地理解放大器噪声如何影响增量-西格玛ADC：