解析信號第11部分：了解電源噪聲如何影響Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器

解析信號系列的第11部分探討了電源是如何產(chǎn)生有害噪聲的，如何測量和量化這些噪聲，以及噪聲如何最終影響系統(tǒng)性能。

到目前為止，在“解析信號”一節(jié)中，我們重點討論了模擬組件產(chǎn)生的噪聲，這些組件可能位于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）外部，也可能集成在ADC中。但是，本系列文章的最后一個主題將分析由電源引起的噪聲，這些噪聲必須來自設(shè)備外部。盡管有些ADC可能集成了電源管理功能，如用于清除噪聲的低壓差（LDO）調(diào)節(jié)器，或擴展輸入電壓范圍的電荷泵，但這些功能以及ADC本身仍然需要外部電源供電。而且，與混合信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的任何其他組件一樣，電源也會產(chǎn)生噪聲。

幸運的是，您可以將電源噪聲分析與我們在本系列文章中討論的其他噪聲源類似。您可以假設(shè)您的設(shè)備會產(chǎn)生一些噪聲，盡管對系統(tǒng)性能的影響取決于來自源的噪聲級別和類型。例如，用于便攜式應(yīng)用的3V鋰離子電池通常比用于表征ADC特性的精密臺式電源噪聲更大，輸出電壓變化更大。一旦為您的應(yīng)用程序選擇了電源和電壓軌，您可以采取一些方法來減少電源噪聲對ADC性能的影響。

由于“解析信號”的重點是信號鏈設(shè)計，我們假設(shè)您的電源（以及隨后的噪聲貢獻）是固定的。換言之，我們將不討論可能改變電源噪聲貢獻的電源設(shè)計技術(shù)。相反，我們將通過討論這些概念來關(guān)注這種噪聲如何影響ADC的輸出：

• 電源噪聲的類型和來源。

• 測量和量化電源噪聲抑制。

• 每個ADC電源上的噪聲如何影響系統(tǒng)性能。

第12部分討論了在實際應(yīng)用中的ADC技術(shù)。

對于任何模擬信號鏈，電力最終來自兩個來源之一：電池或交流線路電壓。兩種電源選擇之后，通常都會有某種形式的電源調(diào)節(jié)電路，用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)其余部分的電源。電源以及有源和無源調(diào)節(jié)元件會產(chǎn)生一定程度的噪聲，這在電源輸出中表現(xiàn)為與預(yù)期電壓的變化。這種變化可以表現(xiàn)為輸出中的穩(wěn)定直流偏移，也可以表現(xiàn)為輸出上某個頻率和幅度的交流信號。

雖然后者似乎是線路電壓供電系統(tǒng)特有的，但電池供電系統(tǒng)也可能包含交流噪聲。功率調(diào)節(jié)部件本身會產(chǎn)生影響性能的噪聲。這些設(shè)備包括ldo、DC/DC轉(zhuǎn)換器和開關(guān)電源（smps）。LDO主要產(chǎn)生熱噪聲，如與所有電氣元件相關(guān)的熱噪聲。開關(guān)器件在熱噪聲的基礎(chǔ)上增加了大電流瞬變。通常，在100兆赫的額定頻率范圍內(nèi)（100兆赫）的紋波（通常為100兆赫）的額定電壓范圍內(nèi)。圖1顯示了開關(guān)紋波、瞬態(tài)尖峰和熱噪聲的示波器圖。

圖1 SMPS噪聲（瞬態(tài)、紋波和熱噪聲）

除了電源調(diào)節(jié)部件外，交流噪聲還可能來自使用同一電源的其他開關(guān)部件（如時鐘和時鐘緩沖器）以及環(huán)境照明或其他環(huán)境元件。

最終，無論您使用哪種電源，您的ADC電源都可能同時具有熱噪聲和開關(guān)噪聲。然而，由于電源噪聲是ADC外部的，半導體制造商只能指定ADC在抑制這種噪聲方面的有效性。此規(guī)范稱為電源抑制（PSR）。

在ADC中，PSR描述ADC輸出的變化（ΔV出去)相對于其電源的變化（ΔV供應(yīng)). PSR通常用分貝表示。這個比率被稱為電源抑制比（PSRR）。注意，絕對值通常用于描述PSRR，因為負號是隱含的。公式1計算PSRR：

在ADC數(shù)據(jù)表中可以找到兩種不同的指定PSRR的方法：PSRR直流和PSRR自動控制. 電源抑制比直流描述ADC輸出因其電源中的直流偏移而變化的程度，而PSRRAC描述輸出中出現(xiàn)的電源噪聲量。類似于ADC噪聲測量的討論第二部分，ADC制造商使用的PSRR測量方法取決于ADC要測量的信號類型。

例如，低速傳感器測量應(yīng)用通常使用針對直流性能優(yōu)化的ADC，如德州儀器ADS1261，一個非常低噪聲的24位delta-sigma ADC，每秒可采樣40千個樣本（kSPS）。圖2顯示了ADS1261的PSRR數(shù)據(jù)表規(guī)范直流因為這個轉(zhuǎn)換器的信號通帶通常非常窄。數(shù)據(jù)表給出了模擬和數(shù)字電源的最低和典型電源抑制比規(guī)范。

圖2ADS1261 PSRR for AVDD = 5 V, AVSS = 0 V, DVDD = 3.3 V, V裁判= 2.5 V, gain = 1 V/V, output data rate (ODR) = 20 SPS

測量PSRR直流ADC制造商將設(shè)備的輸入端短接在一起，使其偏壓到共模電壓（V厘米)通常在中間電源附近，測量ADC輸出端的偏移電壓?？纯措妷浩屏渴嵌嗌佟D3顯示了一個典型的PSRR直流測量設(shè)置，額外的100毫伏偏移電壓以紅色突出顯示。

圖3電源抑制比直流測量設(shè)置使用±100毫伏AVDD上的偏移量

如圖2所示，ADS1261的典型PSRR直流模擬電源為100 dB，AVDD。您可以輸入-100 dB的PSRR和ΔV供應(yīng)將100 mV的電壓輸入方程1，并求解ΔV出去計算偏移量的預(yù)期變化。根據(jù)方程式1，AVDD中的100 mV變化應(yīng)在ADC輸出處產(chǎn)生偏移電壓的1-μV變化。

圖4顯示了由于電源在時域中的變化而引起的輸出偏移電壓的變化。輸出偏移電壓擺幅集中在ADS1261的50μV標稱偏移電壓上，這是使用圖2中給出的相同條件指定的。

圖4使用ADS126mV電壓變化引起的ADSDD偏移量變化

相對而言，寬頻帶應(yīng)用（如振動監(jiān)測）需要更寬的信號通帶，因此需要更高帶寬的ADC。這樣的adc更容易產(chǎn)生不需要的高頻內(nèi)容，這些內(nèi)容可能混淆或直接落入感興趣的信號帶寬中。因此，寬帶adc通常使用PSRR指定PSR自動控制. 圖5顯示了德州儀器的PSRR規(guī)范ADS127L01，一個24位高速delta-sigma ADC，采樣率高達512 kSPS。

圖5 ADS127L01 PSRR規(guī)范at TA= 25°C, AVDD = 3 V, internal LVDD, DVDD = 1.8 V, V裁判= 2.5 V

PSRR的測量裝置自動控制與PSRR非常相似直流，使ADC的輸入端短接在一起，然后偏置到中間電源共模電壓。然而，PSRRAC不是在電源中引入直流偏移，而是在標稱直流電源的頂部使用交流信號進行測量。此交流信號模擬特定頻率下的噪聲（例如，圖5所示的60 Hz電力線頻率）。

圖6顯示了一個典型的PSRR自動控制測量裝置，在ADC模擬電源電壓（AVDD）頂部設(shè)置100 mVP正弦波。如果您的電源電壓是3V，您可以使用100 mV重新創(chuàng)建圖6中的測試設(shè)置峰帶3伏直流偏移的正弦波。

圖6 電源抑制比自動控制使用100的測量設(shè)置-毫伏P正弦波

計算PSRR自動控制在時域中，可以像計算PSRR一樣使用方程1直流. 使用100毫伏P振幅作為電源紋波（ΔV供應(yīng))而ADS127L01的AVDD PSRR如圖5所示（-90 dB），可以預(yù)期為3.2μVP在60赫茲的開關(guān)紋波將出現(xiàn)在ADC輸出。圖7顯示了電源上的紋波，以及它如何轉(zhuǎn)化為輸出端的類似紋波，以ADC的標稱偏移電壓為中心。

圖7 ADC輸出中的噪聲由100-最有價值球員使用ADS127L01的電源紋波

也可以計算PSRR自動控制通過轉(zhuǎn)換100毫伏P使用ADC的參考電壓將紋波提供到分貝。如果使用圖5中規(guī)定的2.5 V參考電壓，則為100 mVP等于-28分貝，或分貝相對于全刻度。PSRR自動控制在這種情況下，是電源紋波振幅和在電源紋波頻率（60赫茲）出現(xiàn)的頻譜中測得的音調(diào)之間的分貝差。圖8描繪了電源紋波振幅和ADC輸出中出現(xiàn)的噪聲，其中差異是ADC在該頻率下的PSRR的直接結(jié)果。

圖8 ADS127L01電源抑制比自動控制在頻域中

在上一節(jié)中，我們以模擬電源為例討論了如何測量和指定電源噪聲。雖然這對于那些只需要一個電源電壓的adc來說是可以接受的，但是更高分辨率的adc往往至少有獨立的模擬和數(shù)字電源，而一些精度更高的adc則需要更多。例如，您可以在圖5中看到ADS127L01實際上有三種不同的電源：模擬（AVDD）、數(shù)字（DVDD）和低壓調(diào)制器電源（LVDD）。圖9顯示了每個電源的電源抑制比（PSRR）與頻率的函數(shù)關(guān)系。

圖9 TA = 25°C, AVDD = 3.3 V, VREF = 2.5 V, HR mode, ˉINTLDO = 1

從圖9可以得出結(jié)論，LVDD最容易受到ADS127L01上的電源噪聲的影響。直觀地說，這是有意義的，因為該電源直接由ADC的delta-sigma調(diào)制器使用，它對輸入信號進行采樣。對于這個特定的ADC，您需要對LVDD應(yīng)用一些電源降噪技術(shù)，以確保它的噪聲量最小，從而最大限度地提高性能。

另外，在圖9中可以看到，在電源頻率（fPS公司)大約是200千赫。在這個頻率下，三個電源的電源抑制比開始增加到160分貝。在圖9中，ADS127L01使用寬帶1數(shù)字濾波器以512 kSPS的速度工作。此濾波器響應(yīng)將ADC通帶設(shè)置為大約204 kHz。因此，ADS127L01的數(shù)字濾波器阻帶衰減電平在ADC通帶之外的頻率下抑制了電源紋波，大約116分貝。這提高了所有三個電源在更高頻率下的電源抑制比。

圖9中的這些觀察結(jié)果提供了關(guān)于電源噪聲的兩個重要問題的提示：首先，在考慮系統(tǒng)的PSR時，哪個ADC電源電壓是最關(guān)鍵的；第二，如何降低系統(tǒng)中的整體電源噪音？

“解決信號”中的最后一篇文章將通過使用ADS127L01電動汽車 .