精密數(shù)據(jù)采集信號鏈的噪聲分析

　　簡介

　　在很多應(yīng)用中，模擬前端接收單端或差分信號，并執(zhí)行所需的增益或衰減、抗混疊濾波及電平轉(zhuǎn)換，之后在滿量程電平下驅(qū)動ADC輸入端。本文探討精密數(shù)據(jù)采集信號鏈的噪聲分析，并深入研究這種信號鏈的總噪聲貢獻。

　　如圖1所示，低功耗、低噪聲、全差分放大器ADA4940-1驅(qū)動差分輸入、18位、1 MSPS PulSAR? ADC AD7982，同時低噪聲精密5 V基準(zhǔn)電壓源ADR435用來提供ADC所需的5 V電源。此信號鏈無需額外驅(qū)動器級和基準(zhǔn)電壓緩沖器，簡化了模擬信號調(diào)理，可節(jié)省電路板空間和成本。一個單極點截止頻率2.7 MHz RC(22 ?，2.7 nF)低通濾波器放在ADC驅(qū)動器輸出和ADC輸入之間，有助于限制ADC輸入端噪聲，并減少來自逐次逼近型(SAR) ADC輸入端容性DAC的反沖。

　　圖1.低功耗全差分18位1 MSPS數(shù)據(jù)采集信號鏈(簡化示意圖：未顯示所有連接和去耦)。

　　ADA4940-1用作ADC驅(qū)動器時，用戶可以進行必要的信號調(diào)理，包括對信號實施電平轉(zhuǎn)換和衰減或放大，以便使用四個電阻實現(xiàn)更大動態(tài)范圍，從而不再需要額外的驅(qū)動器級。采用反饋電阻(R2 = R4)對增益電阻(R1 = R3)之比設(shè)置增益，其中R1 = R2 = R3 = R4 = 1 kΩ。

　　對于平衡差分輸入信號，等效輸入阻抗為2×增益電阻(R1或R3) = 2 kΩ，對于非平衡(單端)輸入信號，等效阻抗根據(jù)下式計算，約為1.33 kΩ

　　如果需要可以在輸入端并聯(lián)一個終端電阻。

　　ADA4940-1內(nèi)部共模反饋環(huán)路強制共模輸出電壓等于施加到VOCM輸入的電壓，同時提供出色的輸出平衡。當(dāng)兩個反饋系數(shù)(β1和β2)不相等時，差分輸出電壓取決于VOCM;此時，輸出幅度或相位的任何不平衡都會在輸出端產(chǎn)生不良共模成分，導(dǎo)致差分輸出中有冗余噪聲和失調(diào)。因此，在這種情況下(即，β1 = β2)，輸入源阻抗和R1 (R3)的組合應(yīng)等于1 kΩ，以避免各輸出信號的共模電壓失配，并防止ADA4940-1的共模噪聲增加。

　　信號在印刷電路板(PCB)的走線以及長電纜中傳輸時，系統(tǒng)噪聲會疊加到信號中，差分輸入ADC會抑制信號噪聲，并表現(xiàn)為一個共模電壓。

　　這款18位1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的預(yù)期信噪比(SNR)理論值可通過每個噪聲源(ADA4940-1、ADR435和AD7982)的和方根(RSS)計算得到。

　　ADA4940-1在100 kHz時的低噪聲性能典型值為3.9 nV/√Hz，如圖2所示。

　　圖2.ADA4940輸入電壓噪聲頻譜密度和頻率的關(guān)系。

　　必須計算差分放大器的噪聲增益，以便找到等效輸出噪聲貢獻。

　　差分放大器的噪聲增益為：

　　其中

　　以及

　　是兩個反饋系數(shù)。

　　應(yīng)當(dāng)考慮下列差分放大器噪聲源：

　　由于ADA4940-1輸入電壓噪聲為3.9 nV/√Hz，其差分輸出噪聲應(yīng)當(dāng)為7.8 nV/√Hz。ADA4940-1數(shù)據(jù)手冊中的共模輸入電壓噪聲(eOCM)為83 nV/√Hz，因此其輸出噪聲為

　　給定帶寬條件下，R1、R2、R3和R4電阻噪聲可根據(jù)約翰遜-奈奎斯特噪聲方程計算：

　　其中kB是玻爾茲曼常數(shù)(1.38065 × 10 – 23 J/K)，T為電阻絕對溫度(開爾文)，而R為電阻值(Ω)。

　　來自反饋電阻的噪聲為：

　　來自R1的噪聲為：

　　來自R3的噪聲為：

　　ADA4940-1數(shù)據(jù)手冊中的電流噪聲為0.81 pA/√Hz。

　　反相輸入電壓噪聲：

　　同相輸入電壓噪聲：

　　因此，來自ADA4940的等效輸出噪聲貢獻為：

　　(RC濾波器之后)的ADC輸入端總積分噪聲為：

　　AD7982的均方根噪聲可根據(jù)5 V基準(zhǔn)電壓源情況下的典型信噪比(SNR，98 dB)計算得到。

　　根據(jù)這些數(shù)據(jù)，ADC驅(qū)動器和ADC的總噪聲貢獻為

　　注意，本例中忽略來自ADR435基準(zhǔn)電壓源的噪聲貢獻，因為它非常小。

　　因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理論SNR可根據(jù)下式近似計算。

　　圖3.FFT曲線圖，fIN = 1 kHz，F(xiàn)S = 1 MSPS (將ADA4940-1配置成全差分驅(qū)動器)。

　　AD7982在1 kHz輸入信號時，SNR典型值為96.67 dB，THD典型值為-111.03 dB，如圖3中的FFT性能所示。這種情況下測得的SNR為96.67 dB，非常接近上文中的96.95 dB SNR理論估算值。數(shù)據(jù)手冊中98 dB的目標(biāo)SNR的實際損耗由來自ADA4940-1差分放大器電路的等效輸出噪聲貢獻所導(dǎo)致。

　　針對給定應(yīng)用選擇ADC驅(qū)動器以驅(qū)動SAR ADC時，噪聲是一個重要規(guī)格，詳細(xì)查閱帶寬、建立時間、輸入和輸出上裕量/下裕量以及功耗要求也很重要。有關(guān)驅(qū)動高分辨率精密PulSAR ADC的推薦放大器的更多信息，請參閱ADI公司ADC驅(qū)動器選型指南。若要設(shè)計差分放大器電路，請下載免費且直觀易用的ADI公司DiffAmpCalc?工具。

　　作者簡介

　　Maithil Pachchigar是ADI公司馬薩諸塞州威明頓ADI儀器儀表、航空航天與防務(wù)業(yè)務(wù)部的應(yīng)用工程師。2010年加入ADI公司以來，他致力于儀器儀表、工業(yè)、醫(yī)療健康和能源行業(yè)的精密ADC產(chǎn)品系列工作和客戶支持。自2005年以來，Maithil一直在半導(dǎo)體行業(yè)工作，并已發(fā)表多篇技術(shù)文章。Maithil于2003年獲印度S.V.國家技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)學(xué)士學(xué)位，2006年獲圣何塞州立大學(xué)的電氣工程碩士學(xué)位，

　　2010年獲硅谷大學(xué)MBA學(xué)位。聯(lián)系方式：maithil.pachchigar@analog.com。