解析信號(hào)第8部分：參考電壓噪聲對(duì)Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器的影響

解析信號(hào)系列的第8部分進(jìn)一步深入研究了不同的噪聲源如何通過(guò)關(guān)注基準(zhǔn)噪聲和ADC噪聲來(lái)影響delta-sigma-ADC的精度，以及增益如何影響參考噪聲。

假設(shè)您需要設(shè)計(jì)一個(gè)高分辨率的傳感器測(cè)量系統(tǒng)，例如一個(gè)精確的溫度傳感單元來(lái)控制工業(yè)烤箱。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，你在烤箱中安裝一個(gè)熱電偶來(lái)測(cè)量溫度，把熱電偶引線連接到測(cè)量系統(tǒng)上，然后模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸出一個(gè)數(shù)字代碼。如何確定代碼對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度？

在模擬電路設(shè)計(jì)中，使用參考電壓作為進(jìn)行模擬測(cè)量的基準(zhǔn)。在本例中，參考電壓的標(biāo)稱值決定了輸出代碼，該代碼與特定溫度相關(guān)。如果改變參考電壓，輸出代碼也會(huì)按比例縮放，而測(cè)量的溫度將保持不變。

由于輸出代碼與參考電壓值直接相關(guān)，因此噪聲或不準(zhǔn)確的參考電壓會(huì)產(chǎn)生同樣不可靠的測(cè)量值。因此，對(duì)于高分辨率系統(tǒng)，選擇合適的參考電壓和選擇一個(gè)高精度的ADC同樣重要。

為了進(jìn)一步了解不同的噪聲源如何影響精度delta-sigma-adc，我將在本期“解析信號(hào)”系列文章中討論與電壓參考噪聲相關(guān)的以下主題：

• 參考噪聲和ADC噪聲

• 增益如何影響參考噪聲

在第9部分中，我將從第8部分中獲取觀察結(jié)果，并定義幾種減少參考噪聲的方法。我還將研究參考噪聲如何影響低分辨率和高分辨率adc。

在本系列的第2部分，我討論了用于表征ADC噪聲的兩種不同類型的測(cè)量：正弦波輸入和輸入短路。正弦波輸入，顧名思義，輸入一個(gè)特定振幅和頻率的正弦波，以表征ADC如何量化該信號(hào)。相反，輸入短路法通過(guò)縮短器件的輸入并測(cè)量由于熱噪聲而導(dǎo)致的輸出代碼的微小變化來(lái)確定ADC在DC下的性能。圖1說(shuō)明了這些類型的噪聲測(cè)量。

圖1正弦波輸入測(cè)試裝置（左）；輸入短測(cè)試設(shè)置（右）

ADC的輸出代碼與ADC輸入信號(hào)振幅（VIN）除以ADC參考電壓（VREF）成比例，如等式1所示：

當(dāng)我們使用非零輸入信號(hào)來(lái)描述ADC時(shí)（正弦波輸入法就是這樣），結(jié)果輸出代碼包含一些參考噪聲。雖然目的只是描述ADC噪聲，但該參考噪聲總是成為ADC數(shù)據(jù)表中報(bào)告的噪聲參數(shù)的一部分，包括信噪比（SNR）和信噪比與失真（SINAD）。

因此，使用一個(gè)類似于ADC測(cè)試設(shè)置的系統(tǒng)，可以使ADC的噪聲性能達(dá)到與正弦波輸入法的設(shè)備的數(shù)據(jù)表中報(bào)告的性能相當(dāng)。

相比之下，輸入短路法使用0V輸入信號(hào)來(lái)測(cè)量沒(méi)有信號(hào)時(shí)ADC輸出代碼的波動(dòng)。在這種情況下，在輸出端看不到參考噪聲，因?yàn)榉匠淌?中的比率始終等于0。輸入短路法定義了ADC的絕對(duì)分辨率極限，因?yàn)槟鸁o(wú)法可靠地測(cè)量小于ADC固有噪聲的輸入。由于輸入短路，數(shù)據(jù)表噪聲參數(shù)，如輸入?yún)⒖荚肼暫陀行Х直媛什话▍⒖荚肼暤挠绊憽Ｈ绻阆胗眠@種類型的ADC測(cè)量非零輸入信號(hào)，你應(yīng)該期望先前看不到的參考電壓噪聲會(huì)使輸出處的總噪聲增加，超過(guò)ADC數(shù)據(jù)表中的規(guī)定。

為了確定參考電壓增加了多少噪聲，圖2顯示了ADC噪聲、參考噪聲和組合噪聲之間的關(guān)系，它們是使用滿標(biāo)度范圍（FSR）的函數(shù)（利用率百分比）。圖2以及隨后的討論適用于ADC噪聲小于參考噪聲（NADC<NREF）的情況。如果情況正好相反（NADC>NREF），則由于ADC噪聲相對(duì)較高，較低的噪聲參考電壓幾乎沒(méi)有任何益處。

圖2ADC噪聲（藍(lán)色條形圖）、參考噪聲（紅色條形圖）和組合ADC加參考噪聲（綠線）作為FSR正利用率的函數(shù)

圖2有三個(gè)要點(diǎn)：

這一點(diǎn)是輸入電壓為0V時(shí)的總噪聲。由于A點(diǎn)使用與定義輸入短噪聲測(cè)量測(cè)試相同的條件，因此可以直接從ADC的數(shù)據(jù)表中讀取。

這是輸入電壓等于參考電壓時(shí)的總噪聲，即滿標(biāo)度讀數(shù)。通常，取參考噪聲和ADC噪聲的平方根（RSS）來(lái)確定點(diǎn)B。然而，當(dāng)參考噪聲遠(yuǎn)大于ADC噪聲時(shí)（如圖2所示），可將B點(diǎn)近似為參考噪聲。無(wú)論哪種方式，您通常無(wú)法直接從數(shù)據(jù)表中讀取參考電壓噪聲的值，因?yàn)樗Q于包括參考電壓的噪聲特性在內(nèi)的多個(gè)因素。圖3顯示了德州儀器的輸出噪聲譜密度參考文獻(xiàn)6025，一個(gè)2.5V精密電壓基準(zhǔn)。

圖3 REF6025的輸出噪聲譜密度圖

在圖3中，注意低頻（1/f噪聲）下的噪聲密度與較高頻率下相對(duì)平坦的噪聲密度（寬帶噪聲）相比顯著增加。就像在本系列的第7部分，參考噪聲性能不一定是恒定的。

幸運(yùn)的是，您可以使用與計(jì)算放大器噪聲相同的方法來(lái)計(jì)算參考噪聲，包括直接積分或簡(jiǎn)化公式. 您還需要計(jì)算系統(tǒng)的有效噪聲帶寬（ENBW）才能使用這些方法，因?yàn)镋NBW為進(jìn)入系統(tǒng)的參考噪聲提供了截止頻率。

該點(diǎn)是點(diǎn)A和點(diǎn)B的極值之間的任何一般噪聲值?？梢允褂梅匠淌?計(jì)算點(diǎn)C：

在方程式2中，B點(diǎn)根據(jù)FSR的利用率進(jìn)行縮放。一般來(lái)說(shuō)，您可以使用方程式2來(lái)確定圖2中曲線圖上任意點(diǎn)的總噪聲，包括點(diǎn)A和點(diǎn)B。

等式2的一個(gè)重要結(jié)果是，給定NADC<NREF的條件，存在一個(gè)參考噪聲占主導(dǎo)地位的點(diǎn)，無(wú)論利用率如何。在這一點(diǎn)上，增加信號(hào)幅度不會(huì)帶來(lái)噪聲性能方面的好處，這與獲取輸入信號(hào)總是減少噪聲的普遍觀點(diǎn)相矛盾。

相反，您需要平衡增加增益和FSR利用率，以確保滿足系統(tǒng)噪聲要求。讓我們用一個(gè)例子來(lái)研究增益和參考噪聲之間的關(guān)系。

對(duì)于本例，讓我們繼續(xù)使用圖3中所示的REF6025，并將其與ADS1261，一個(gè)24位delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該器件提供低噪聲和集成可編程增益放大器（PGA），這兩種技術(shù)都將使參考噪聲與增益的關(guān)系更加明顯。盡管有這些選擇，您可以將此分析應(yīng)用于adc和電壓參考的任何組合。圖4顯示了這個(gè)例子的系統(tǒng)設(shè)置。

圖4 使用ADS1261和REF6025進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置

類似于放大器噪聲分析本系列的第6部分，您可以將圖4中的組件分離為“無(wú)噪聲”設(shè)備，其前面有一個(gè)與每個(gè)組件的噪聲等效的電壓源。ADC噪聲（VN，ADC）可直接從ADS1261的數(shù)據(jù)表中讀取，而您必須使用REF6025數(shù)據(jù)表和系統(tǒng)ENBW計(jì)算電壓參考噪聲（VN，REF）。幸運(yùn)的是，您可以使用我在中詳述的近似方法本系列的第5部分確定系統(tǒng)ENBW。在這種情況下，使用每秒60個(gè)采樣數(shù)（SPS）輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）和ADS1261的低延遲濾波器，ENBW為13Hz。使用REF6025可產(chǎn)生約1.2μVRMS的噪聲。

最后，您需要選擇一個(gè)允許您使用所有可用ADC增益選項(xiàng)的輸入信號(hào)。使用ADS1261的最大增益128V/V，使用2.5V參考電壓，可以實(shí)現(xiàn)±19.5mV的最大差分輸入電壓。表1總結(jié)了系統(tǒng)規(guī)范。

表1.ADS1261-plus-REF6025示例的系統(tǒng)規(guī)范

現(xiàn)在，您可以將每個(gè)組件的噪聲繪制為ADS1261 PGA增益的函數(shù)，以查看增益如何影響ADC和參考噪聲。您還可以計(jì)算系統(tǒng)在每個(gè)步驟的有效分辨率，以了解引入?yún)⒖荚肼暼绾斡绊懴到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。注意，這里的“有效分辨率”是使用19.5mV信號(hào)計(jì)算的，而不是ADC數(shù)據(jù)表中常見(jiàn)的每個(gè)增益設(shè)置處可能的最大FSR。圖5顯示了ADS1261的繪圖。

圖5 ADS1261噪聲、參考噪聲和有效分辨率與增益的關(guān)系

圖5顯示，即使使用100%正滿標(biāo)度范圍，與ADC噪聲相比，參考噪聲幾乎可以忽略不計(jì)。因此，由于輸入電壓非常小，因此改變?cè)鲆鎸?duì)輸入系統(tǒng)的參考噪聲量沒(méi)有影響，但是通過(guò)降低ADC噪聲（如預(yù)期）降低了總噪聲。

有趣的是，圖2和圖5都有一個(gè)有用的FSR利用極限（放大器噪聲分析就是這樣）。從系統(tǒng)噪聲的角度來(lái)看，增加輸入信號(hào)超過(guò)這一點(diǎn)沒(méi)有任何好處。在圖2中，這是在40%的利用率下發(fā)生的。在圖5中，當(dāng)有效分辨率曲線開(kāi)始變平時(shí)，這個(gè)限制開(kāi)始于大約32V/V的增益。

（這些限制特定于輸入電壓、噪聲帶寬、ADC和參考組合。不同的組合改變了這種系統(tǒng)限制，因此必須計(jì)算出該點(diǎn)在任何系統(tǒng)中的位置，以避免降低噪聲性能。）

此外，圖2和圖5說(shuō)明了將ADC噪聲與參考電壓噪聲相匹配的重要性（因?yàn)樗鼈兣c電路參數(shù)有關(guān)）。如果您的輸入信號(hào)很小并且無(wú)法更改，那么增加您的輸入信號(hào)可以減少ADC噪聲，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的噪聲。因此，您也可以使用噪聲更大的引用，因?yàn)閷?shí)際上很少有參考噪聲傳遞到系統(tǒng)中。

相比之下，如果你的輸入信號(hào)大于中尺度，你可以預(yù)期參考噪聲占主導(dǎo)地位。在這些情況下，應(yīng)始終確保ADC噪聲和參考噪聲具有可比性。否則，您將支付電壓參考性能，您不能實(shí)際使用。幸運(yùn)的是，有多種方法可以減少參考噪聲的影響并保持精確的系統(tǒng)。閱讀第9部分了解更多信息。

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：

• 參考電壓對(duì)系統(tǒng)噪聲的貢獻(xiàn)隨FSR利用率而變化。

• 參考噪聲可以有1/f和類似于放大器的寬帶區(qū)域。

• 系統(tǒng)中的參考噪聲會(huì)導(dǎo)致有用的FSR利用極限，在此之后，噪聲性能無(wú)法通過(guò)信號(hào)增益得到進(jìn)一步改善。

• 盡量使參考源的噪聲幅度與ADC的噪聲性能相匹配，以避免非零輸入信號(hào)降低分辨率。