解析信號(hào)第9部分：降低高分辨率Delta-Sigma ADC電路中的參考噪聲

第9部分分析了幾種不同的降低系統(tǒng)參考噪聲影響的方法，并分析了參考噪聲對(duì)低分辨率和高分辨率adc影響的差異。

在解析信號(hào)系列的第8部分討論了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）噪聲與參考噪聲的關(guān)系，推導(dǎo)了參考噪聲的計(jì)算公式，確定了增益對(duì)系統(tǒng)參考噪聲水平的影響。

在第9部分中，我將通過分析幾種不同的方法來總結(jié)參考噪聲對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。我還將研究參考噪聲對(duì)低分辨率和高分辨率adc的影響。

正如我在第8部分中所討論的，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參考噪聲量取決于參考源的噪聲性能以及滿標(biāo)度范圍（FSR）的利用率。為了證明這種對(duì)利用率的依賴性，我繪制了ADC噪聲、參考噪聲和總噪聲作為滿標(biāo)度利用率（輸入電壓）的函數(shù)，假設(shè)參考電壓為2.5V。圖1顯示了使用德州儀器（TI）的這種關(guān)系圖ADS1261，一個(gè)帶有集成可編程增益放大器（PGA）的24位delta-sigma ADC。

圖1 ADC噪聲、參考噪聲和有效分辨率與FSR利用率的關(guān)系

如第8部分所述，參考噪聲開始以40%的利用率控制系統(tǒng)的總噪聲，從而抵消了高分辨率ADC提供的噪聲效益。為了幫助緩解這一問題并實(shí)現(xiàn)精確系統(tǒng)，有三種技術(shù)可以幫助降低參考噪聲并利用delta-sigma adc的降噪優(yōu)勢(shì)。

降低進(jìn)入系統(tǒng)的參考噪聲水平最明顯的方法之一是選擇噪聲較小的基準(zhǔn)電壓源。這有助于減少圖1中紅色條的級(jí)別，并擴(kuò)展有用的FSR使用限制。

然而，正如我在第8部分中所建議的，對(duì)于任何給定的輸入信號(hào)，要注意將參考噪聲電平與ADC噪聲電平相匹配。例如，如果使用ADS1261對(duì)2.5V輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，則只能使用1V/V的增益。在這些情況下，由于FSR的利用率很高，選擇噪聲比REF6025低的基準(zhǔn)電壓對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲影響很?。▓D1）。

另一種可能降低參考噪聲影響的方法是提高參考電壓，因?yàn)檫@會(huì)影響利用率的變化。例如，將參考電壓加倍可將利用率降低2倍。然而，這種方法僅在參考噪聲沒有按比例增加的情況下提供系統(tǒng)噪聲效益，但情況并非總是如此。許多離散電壓參考系族規(guī)定噪聲單位為微伏每伏，因?yàn)閰⒖荚肼暸c參考電壓成線性關(guān)系。在這種情況下，基準(zhǔn)電壓加倍也會(huì)使參考噪聲加倍，盡管利用率降低，但不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲效益。

減少傳入系統(tǒng)的參考噪聲量的第三種選擇是限制總體有效噪聲帶寬（ENBW）。限制ENBW的一種方法是降低抗混疊或參考濾波器截止頻率。然而，由于C0G的低電壓和溫度系數(shù)，德克薩斯儀器公司建議使用C0G型電容器作為輸入信號(hào)路徑濾波器。信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中使用的典型C0G電容器最多只能使用10-15nF，這就限制了抗混疊濾波器截止值的下限。相反，由于電壓參考的直流輸出電壓幾乎恒定，參考濾波器可能采用更高電容的X7R型電容器。對(duì)于每種濾波器類型，使用低漂移、低阻抗電阻器（<10k?), 因?yàn)殡娮璧臒嵩肼曤S著阻抗的增加而增加，并可能開始主導(dǎo)信號(hào)鏈噪聲。

降低系統(tǒng)ENBW的更常見方法是降低ADC的輸出數(shù)據(jù)速率。圖2顯示了降低ADC的輸出數(shù)據(jù)速率如何同時(shí)降低ADC和參考噪聲。例如，在ENBW=96Hz（左）和ENBW=0.6Hz（右）之間，100%利用率下的參考噪聲降低了2.3倍，而ADC噪聲降低了10倍，導(dǎo)致總噪聲大大降低。

圖2 限制ENBW可降低總噪聲：0.6Hz（左）、24Hz（中）、96Hz（右）

雖然這三種方法可以在許多應(yīng)用中降低參考噪聲，但其他系統(tǒng)可能有固定的參數(shù)-例如穩(wěn)定時(shí)間或傳感器輸出電壓-使得這些技術(shù)更難使用。在這種情況下，可以通過選擇適當(dāng)?shù)膮⒖寂渲脕頊p少傳入系統(tǒng)的參考噪聲量：內(nèi)部、外部或比率。

精密ADC通常包括集成精密電壓基準(zhǔn)，通常適用于許多應(yīng)用。集成參考消除了外部參考所增加的成本、面積和功耗。然而，一般來說，與精密外部基準(zhǔn)相比，內(nèi)部參考系的功率較低，可能具有更高的噪聲和更高的漂移，因此不太適合某些高精度和高精度系統(tǒng)。

圖3顯示了ADS1261在使用集成電壓基準(zhǔn)作為測(cè)量參考源時(shí)測(cè)量電阻電橋。

圖3用ADS1261內(nèi)部基準(zhǔn)測(cè)量電阻電橋

如果集成參考電壓的規(guī)格不夠，而ADC允許使用外部參考源，則可以選擇外部參考源。與集成參考相比，外部參考通常受益于較低的噪聲和更好的漂移參數(shù)。這種性能的提高是以更高的功耗、額外的成本和增加的印刷電路板（PCB）面積為代價(jià)的。另外，由于ADC和基準(zhǔn)電壓不共用同一個(gè)芯片，它們的溫度漂移規(guī)范可能不再相關(guān)；這是一個(gè)綜合參考案例。因此，ADC和基準(zhǔn)可以獨(dú)立地向相反的方向漂移，從而導(dǎo)致更大的誤差。為避免此問題，請(qǐng)將兩個(gè)設(shè)備連接到一個(gè)良好的、導(dǎo)熱的接地層上。

將ADC連接到外部參考源時(shí)，一個(gè)有用的提示是將ADC的負(fù)外部參考輸入（REFN）路由回外部參考的接地引腳，而不是將REFN直接連接到PCB的接地平面。這就形成了一個(gè)“星形”接地連接，有助于避免接地層噪聲在負(fù)參考輸入上拾取，并保持精確的測(cè)量結(jié)果。

圖4顯示了與圖3相同的電阻橋連接圖，但使用的是REF6025電壓基準(zhǔn)，而不是ADS1261的內(nèi)部基準(zhǔn)。

圖4 使用ADS1261和外部基準(zhǔn)測(cè)量電阻電橋（參考文獻(xiàn)6025）

如果需要傳感器激勵(lì)，例如測(cè)量電阻電橋或電阻溫度檢測(cè)器（RTD），則使用比例測(cè)量配置。此配置對(duì)模擬輸入和參考電壓使用相同的激勵(lì)源。因此，激勵(lì)源中的任何噪聲或漂移都會(huì)對(duì)測(cè)量和基準(zhǔn)產(chǎn)生同樣的影響。由于ADC輸出代碼是輸入與基準(zhǔn)的比值，激勵(lì)源噪聲和漂移趨于抵消，從而導(dǎo)致噪聲性能更接近短路輸入情況。一般來說，與其他兩種配置相比，這種配置產(chǎn)生的總噪聲量最低。

比例基準(zhǔn)的主要缺點(diǎn)是它只能用于需要傳感器激勵(lì)的應(yīng)用場(chǎng)合。因此，如果系統(tǒng)不需要傳感器激勵(lì)，則必須從其他兩個(gè)參考配置選項(xiàng)中選擇一個(gè)。

圖5顯示了與圖3和圖4中相同的電路，但具有比率參考配置。請(qǐng)注意5V電橋激勵(lì)電壓如何也用作ADS1261的外部差分參考電壓（REFP-REFN）。

圖5 用ADS1261和比例基準(zhǔn)測(cè)量電阻電橋

到目前為止，我已經(jīng)做了定性的聲明，比率參考比外部參考提供更好的噪聲性能，外部參考比內(nèi)部參考提供更好的噪聲性能。如果你看一下TI的24位數(shù)據(jù)表ADS1259從數(shù)量上看，這是真的。圖6顯示了ADS1259數(shù)據(jù)表中的一個(gè)圖，其中包括所有三種配置的測(cè)量噪聲性能。

圖6 比較了ADS1259與內(nèi)部、外部和比率基準(zhǔn)配置的總噪聲增量

VIN=0V時(shí)，圖6中的曲線圖顯示ADS1259的固有噪聲約為0.5μVRMS。在100%利用率（VIN=±2.5V）下，內(nèi)部參考將該基線噪聲增加400%至2.5μVRMS，而外部參考5025將總噪聲增加150%至1.25μVRMS。將這些曲線與幾乎平坦的比率參考曲線進(jìn)行比較，在利用率為100%時(shí)，總噪聲僅增加50%。此配置允許您使用ADS1259的整個(gè)FSR，而不會(huì)顯著增加總噪聲，從而獲得最佳的整體系統(tǒng)噪聲性能。

你能把這些結(jié)論同樣地應(yīng)用于所有的delta-sigma adc嗎？到目前為止，在本系列中，我已經(jīng)分析了24位和32位轉(zhuǎn)換器，以更好地了解電壓參考噪聲如何影響這些設(shè)備的性能。一般來說，這些高分辨率ADC提供非常低的噪聲，因此任何參考噪聲都會(huì)對(duì)系統(tǒng)噪聲產(chǎn)生顯著影響。參考噪聲如何影響低分辨率ADC？

您可以將用于測(cè)量參考噪聲對(duì)高分辨率adc的影響的原理應(yīng)用到低分辨率adc。使用前面示例中的相同設(shè)置，讓我們將REF6025連接到具有不同分辨率的ADC上，并在100%利用率下測(cè)量總噪聲。圖7描述了這個(gè)設(shè)置。

圖7 使用ADS1262和REF6025進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置

讓我們選擇八個(gè)具有不同分辨率的ADC作為圖7中的n位ADC。表1提供了每個(gè)ADC的基線噪聲信息作為其分辨率的函數(shù)。

表1.按ADC分辨率劃分的固有ADC噪聲

正如我在系列文章的第一部分, 量化噪聲通?？刂频头直媛蔄DC的總噪聲（<16位），因此其值對(duì)應(yīng)于最低有效位（LSB）大小。相反，由于高分辨率ADC中的熱噪聲相對(duì)較大，18、24和32位ADC噪聲大于相應(yīng)的LSB大小。

為了計(jì)算ADC和參考電壓的組合噪聲，取每個(gè)分量噪聲的平方根（RSS），因?yàn)槲壹僭O(shè)100%的利用率。表2包括兩個(gè)組件的總噪聲，以及與僅ADC噪聲相比噪聲增加的百分比。

增加ADC和總噪聲的百分比

對(duì)比度較高的ADC和ADC-2之間的對(duì)比度有較高的對(duì)比度。高達(dá)大約16位電平（表2中紅色突出顯示的單元格），REF6025的噪聲實(shí)際上對(duì)系統(tǒng)的總噪聲沒有影響，即使在100%的利用率下也是如此。在這些情況下，ADC量化噪聲的高電平超過參考噪聲的較低電平。因此，低噪聲外部參考在這里提供的好處很少，特別是與增加的系統(tǒng)成本和尺寸相比。事實(shí)上，許多低分辨率的adc不包括外部參考輸入，而是依賴于一個(gè)集成的基準(zhǔn)甚至是電源電壓來執(zhí)行這個(gè)功能。

然而，這并不意味著在使用較低分辨率的adc時(shí)，您不必?fù)?dān)心參考噪聲。累積效應(yīng)取決于特定參考電壓的噪聲、系統(tǒng)帶寬和利用率。我建議執(zhí)行一些快速計(jì)算，以確定任何外部組件可能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的一般影響。

參考噪聲對(duì)18位、24位和32位高分辨率ADC（表2中藍(lán)色突出顯示的單元格）的影響更大。所有這些ADC都經(jīng)歷了相對(duì)于ADC本身的噪聲的顯著增加。隨著ADC分辨率的提高，這個(gè)結(jié)果更加明顯，32位ADC由于僅參考噪聲而經(jīng)歷了難以置信的553%的噪聲增加。在更高的分辨率水平上，使用本文概述的降噪方法并選擇適當(dāng)?shù)膮⒖寂渲脤?duì)于保持測(cè)量精度至關(guān)重要。

在解析信號(hào)的第10部分中，我將討論時(shí)鐘如何影響精度ADC。

以下是一些要點(diǎn)的總結(jié)，有助于更好地理解電壓基準(zhǔn)噪聲如何影響delta-sigma-adc：

• 降低參考噪聲：使用低噪聲基準(zhǔn)減少你的ENBW增加參考電壓（只要參考噪聲不成比例增加）使用比例配置

• 通過選擇提供與ADC噪聲性能類似的參考噪聲性能的參考配置，優(yōu)化系統(tǒng)噪聲性能。