【導(dǎo)讀】本文介紹對高速寬帶寬信號鏈進(jìn)行噪聲性能理論分析的各個(gè)步驟。盡管選擇了一個(gè)特定信號鏈，但介紹的這些步驟適用于所有類型的信號鏈。主要分為五個(gè)步驟：給出假設(shè)，繪制信號鏈的簡化原理圖，計(jì)算每個(gè)信號鏈模塊的等效噪聲帶寬，計(jì)算各個(gè)模塊在信號鏈輸出端的噪聲貢獻(xiàn)，最后將所有噪聲相加。分析顯示了如何使用簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算來描述所有噪聲的貢獻(xiàn)。了解每個(gè)模塊對總噪聲的貢獻(xiàn)，讓設(shè)計(jì)人員能夠適當(dāng)?shù)匦薷脑O(shè)計(jì)（例如，元器件的選擇），以優(yōu)化其噪聲性能。
簡介
設(shè)計(jì)測量信號鏈時(shí)，重要的是通過噪聲分析來確定信號鏈解決方案是否具有足夠低的噪聲，從而可以輕松提取極小的目標(biāo)信號。細(xì)致的噪聲分析可以節(jié)省生產(chǎn)過程中的時(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。我們將使用ADI公司 精密寬帶寬技術(shù)頁面上的功耗優(yōu)化型電流和電壓測量信號鏈作為例子。
圖1.精密寬帶寬電流/電壓測量功率優(yōu)化型信號鏈
分析分為五個(gè)主要步驟：
1. 給出假設(shè)
2. 繪制信號鏈的簡化原理圖
3. 計(jì)算每個(gè)信號鏈模塊的等效噪聲帶寬
4. 計(jì)算各個(gè)模塊在信號鏈輸出端的噪聲貢獻(xiàn)
5. 將所有噪聲貢獻(xiàn)相加
1. 給出假設(shè)
對于噪聲分析或在信號鏈電路上執(zhí)行的任何分析，重要的是列出為信號鏈中每個(gè)模塊所做的假設(shè)。下面是為本文的工作所做的一些假設(shè)：
● 保護(hù)模塊
○ 假設(shè)保護(hù)模塊不增加任何顯著的噪聲。來自該模塊的噪聲是由保護(hù)開關(guān)模塊的較小導(dǎo)通電阻引起的。在以下示例中，我們使用 ADG5421F 其具有11Ω的導(dǎo)通電阻，因此產(chǎn)生0.43 nV/√Hz的噪聲譜密度(NSD)。此值只有增益模塊最低NSD的1/18，因此不需要考慮。如果實(shí)施了額外的保護(hù)措施（TVS二極管等），則還需要考慮這些保護(hù)措施。 Signal filtering block
● 信號濾波模塊
○ 假設(shè)信號濾波模塊僅有一個(gè)極點(diǎn)。考慮到所要研究的帶寬(400 kHz)與采樣頻率(15 MSPS)，假設(shè)單極點(diǎn)是足夠的。
● 基準(zhǔn)電壓模塊
○ 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擇的基準(zhǔn)電壓源具有優(yōu)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?zhǔn)纠囟ǖ模绻褂貌煌男盘栨満突鶞?zhǔn)電壓源，則需要進(jìn)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(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。只考慮熱噪聲。
○ 對于ADC，取總噪聲（kTC和額外的噪聲源）。
○ 采樣頻率(15 MSPS)遠(yuǎn)大于所研究的帶寬(400 kHz)。
2. 繪制信號鏈的簡化原理圖
根據(jù)信號鏈解決方案（參見圖1），為以下各級繪制簡化的原理圖（參見圖2）：
● 增益模塊
● 信號濾波器
● ADC驅(qū)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?yàn)槠湓肼曅阅芑谠鲆娌⒖紤]了所有內(nèi)部噪聲源。這意味著可以使用數(shù)據(jù)手冊中增益放大器的NSD值來直接計(jì)算增益級中產(chǎn)生的噪聲。增益選擇完全包含在增益級內(nèi)。
● 信號濾波器嵌入驅(qū)動器內(nèi)。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(xì)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(diǎn)。RG的值對信號濾波器的帶寬有貢獻(xiàn)，如下所示：
其中
使用 精密ADC驅(qū)動器工具計(jì)算RC網(wǎng)絡(luò)（在ADC采樣之前）的元件值。此工具中的默認(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)手冊上找到或計(jì)算出來2。
圖2.簡化信號鏈
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)算各個(gè)模塊在信號鏈輸出端的噪聲貢獻(xiàn)
本部分將單獨(dú)計(jì)算各個(gè)模塊的等效噪聲帶寬和噪聲貢獻(xiàn)。
需注意的主要公式：
● 電阻的NSD可計(jì)算如下：
● 等效噪聲帶寬(ENB)是產(chǎn)生與所實(shí)現(xiàn)的濾波器相同的積分噪聲功率的磚墻濾波器的帶寬3。
● 信號鏈模塊的ENB計(jì)算如下：
○ 對于單極點(diǎn)系統(tǒng)：
○ 對于雙極點(diǎn)系統(tǒng)：
○ 注意：此公式僅適用于該ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的雙極點(diǎn)濾波器的組合。使用不同的濾波器組合時(shí)，可能需要考慮其他因素。
● 對于具有兩個(gè)或更多極點(diǎn)的系統(tǒng)，請參閱表1。噪聲帶寬比用于計(jì)算ENB 3。
表1.噪聲帶寬比與極點(diǎn)數(shù)的關(guān)系
如圖3所示，當(dāng)將無源濾波器用于信號濾波器時(shí)，以下分析適用。
注意：對于此分析，信號濾波器中 
這樣做是為了避免在驅(qū)動器級獲得增益，因?yàn)槲覀冎幌Ｍ谠鲆婺K中產(chǎn)生增益。另外，Rdriver = RF，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，其帶寬遠(yuǎn)低于由ADC驅(qū)動器輸出RC網(wǎng)絡(luò)和ADC輸入采樣網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的濾波器的帶寬。
● 
● 
○ 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.噪聲分析的原理圖部分
圖4.設(shè)置電阻值進(jìn)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(yīng)特別設(shè)計(jì)，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(gè)相等電阻：一個(gè)用于無源信號濾波器，另一個(gè)用于FDA的輸入端：
濾波器電阻(R_filter)產(chǎn)生的噪聲由濾波器本身濾除，其帶寬遠(yuǎn)低于由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC產(chǎn)生的組合濾波器的帶寬。
○ 2與差分方案有關(guān)。
針對ADC驅(qū)動放大器電阻
● 放大器電阻（圖4中突出顯示的Rdriver和Rdriver/2）產(chǎn)生的噪聲由信號鏈中接下來兩個(gè)模塊中存在的組合濾波器濾除。
○ 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與差分方案有關(guān)。
○ 4與噪聲增益有關(guān)：
● 
○ 2與差分方案有關(guān)。
這些噪聲在同一步驟中合并如下：
針對驅(qū)動放大器
● 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所產(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)中的電阻產(chǎn)生的噪聲由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC所產(chǎn)生的組合濾波器濾除。
○ 二階濾波器
● 
● 
○ 2與差分方案有關(guān)。
ADC
● ADC產(chǎn)生的噪聲可以直接從數(shù)據(jù)手冊找到和計(jì)算。
○ 
-滿量程幅度和信噪比（SNR，單位為dBFS）可以在數(shù)據(jù)手冊中找到。
5. 計(jì)算信號鏈的噪聲
● 要將所有噪聲貢獻(xiàn)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(jì)算噪聲譜密度(NSD)。
● 
重點(diǎn)注意事項(xiàng)
● 只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于應(yīng)用的噪聲要求、信號鏈的功耗和所研究的帶寬。
進(jìn)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.范例。
表3.圖6示例中不同級的噪聲貢獻(xiàn)
*以上測量的單位全部是μV rms
結(jié)論
通過以上步驟，設(shè)計(jì)者將能夠分析和計(jì)算所選信號鏈的噪聲性能。關(guān)于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(shè)計(jì)人員就可以創(chuàng)建一份提議，確保信號鏈能夠提取極小的目標(biāo)信號，幫助節(jié)省時(shí)間和金錢。
附錄
其他配置：
有一個(gè)選擇是使用有源濾波器，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功耗和低噪聲特性。但是，其在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的失真性能不太好，可能不適合某些應(yīng)用。
如果選擇有源濾波器，則必須更改計(jì)算：
針對信號濾波器
有源濾波器：
● 
○ 2與差分方案有關(guān)。
● 選擇Rfilter以保持增益為1。
針對濾波放大器
當(dāng)使用有源濾波器時(shí)，作為有源濾波器一部分的放大器會產(chǎn)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(qū)動放大器電阻
有源濾波器：
● 
○ 2與差分方案有關(guān)。
○ 注意：有源濾波電路中放大器驅(qū)動器的噪聲增益為1：
● 
○ 2與差分方案有關(guān)。
這些噪聲合并如下：
○ 
針對驅(qū)動放大器
有源濾波器：
● 
○ 4與放大器噪聲增益有關(guān)：
這是所使用放大器驅(qū)動器特定的。
○ 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(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)” 。《模擬對話》，第47卷第2期，2013年6月。
2 Alan Walsh “面向精密SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端放大器和RC濾波器設(shè)計(jì)” 。模擬對話，第46卷第4期，2012年12月。
3 Tim J. Sobering。“技術(shù)筆記1：等效噪聲帶寬” 。堪薩斯州立大學(xué)。1991年5月。
4“ 教程MT-048：運(yùn)算放大器噪聲關(guān)系：1/f噪聲、RMS噪聲和等效噪聲帶寬” 。ADI公司，2009年。
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