【導(dǎo)讀】本文介紹對高速寬帶寬信號(hào)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(hào)鏈，但介紹的這些步驟適用于所有類型的信號(hào)鏈。主要分為五個(gè)步驟：給出假設(shè)，繪制信號(hào)鏈的簡化原理圖，計(jì)算每個(gè)信號(hào)鏈模塊的等效噪聲帶寬，計(jì)算各個(gè)模塊在信號(hào)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(hào)鏈時(shí)，重要的是通過噪聲分析來確定信號(hào)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(hào)。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(hào)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(hào)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(hào)鏈
分析分為五個(gè)主要步驟：
1. 給出假設(shè)
2. 繪制信號(hào)鏈的簡化原理圖
3. 計(jì)算每個(gè)信號(hào)鏈模塊的等效噪聲帶寬
4. 計(jì)算各個(gè)模塊在信號(hào)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(hào)鏈電路上執(zhí)行的任何分析，重要的是列出為信號(hào)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(hào)濾波模塊
○ 假設(shè)信號(hào)濾波模塊僅有一個(gè)極點(diǎn)?？紤]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(hào)鏈?zhǔn)纠囟ǖ?，如果使用不同的信?hào)鏈和基準(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(hào)鏈的簡化原理圖
根據(jù)信號(hào)鏈解決方案（參見圖1），為以下各級(jí)繪制簡化的原理圖（參見圖2）：
● 增益模塊
● 信號(hào)濾波器
● ADC驅(qū)動(dòng)器
● ADC輸入RC濾波器
● ADC
我們還可以注意到：
● 增益級(jí)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(jí)中產(chǎn)生的噪聲。增益選擇完全包含在增益級(jí)內(nèi)。
● 信號(hào)濾波器嵌入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。使用無源濾波器可降低整體功耗，這是被分析信號(hào)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(hào)增益為1，圖4突出顯示了這一點(diǎn)。RG的值對信號(hào)濾波器的帶寬有貢獻(xiàn)，如下所示：
其中
使用 精密ADC驅(qū)動(dòng)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(hào)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(hào)鏈
3.和4. 計(jì)算每個(gè)信號(hào)鏈模塊的等效噪聲帶寬(ENB)，并計(jì)算各個(gè)模塊在信號(hào)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(hào)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(hào)濾波器時(shí)，以下分析適用。
注意：對于此分析，信號(hào)濾波器中 
這樣做是為了避免在驅(qū)動(dòng)器級(jí)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(dòng)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(hào)濾波器
● 信號(hào)濾波器或抗混疊濾波器應(yīng)特別設(shè)計(jì)，使得信號(hào)鏈接下來的全差分放大器(FDA)級(jí)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(hào)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(dòng)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(hào)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(dòng)放大器
● 放大器驅(qū)動(dòng)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(hào)鏈的噪聲
● 要將所有噪聲貢獻(xiàn)相加，請使用平方和開根號(hào)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(hào)濾波器電阻值的選擇取決于應(yīng)用的噪聲要求、信號(hào)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(hào)鏈的各噪聲源
圖6.范例。
表3.圖6示例中不同級(jí)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(hào)鏈的噪聲性能。關(guān)于信號(hào)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(huì)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(hào)鏈能夠提取極小的目標(biāo)信號(hào)，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(hào)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(hào)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(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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?！熬苤鸫伪平虯DC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?！凹夹g(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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