4 计算 ADC 系统的总噪声

大家好 欢迎来到TI ADC高精度实验室 讨论ADC系统的噪声计算 本视频将介绍如何预测数据转换器 放大器和参考源的整体系统噪声 我们将使用数据手册规格指标 以及SPICE仿真来进行分析 最后 我们将看预测的噪声与实际测量的噪声结果是否相匹配 在本节中 我们将进行计算 以找出此信号链的总噪声 在这里 放大器 ADC以及参考源 都会产生一些噪声 ADC的噪声由信噪比决定 而放大器和参考源的噪声通常以电压 有效值V rms的方式计算或仿真 为了结合所有器件的噪声 我们需要将ADC噪声转化为电压有效值 即均方根植 第一个公式是ADC SNR的一般的公式 我们从等式中求解出ADC的噪声VN ADC 然后我们将所有的ADC放大器 和参考源的噪声以均方根的形式叠加 得到系统的总噪声 最后 我们还可以把总噪声转换为信噪比 获取参考源的总积分均方根噪声 的一种方法是进行仿真 要从Tina Spice里实现 首先要选择噪声分析 然后 在弹出窗口里面输入一个 让积分噪声收敛到最终值的频率范围 对于大多数参考源 输入1M或者更低就足够了 总噪声是参考源输出的综合均方根噪声 在这个例子里积分噪声大约为6.31μV rms 这个值可以在噪声曲线收敛的高频点处读取 对于这个区间 数据手册给出的在使用20Rµf的典型值 是5μV rms 因此仿真结果与数据所测的规格相当接近 放大器的噪声也可以使用Tina Spice仿真 在运行噪声分析之前 我们测试放大器的直流工作点 在这个例子里我们在放大器输入0.1V的电压 因此这个时候 放大器的输出 应该是输入乘以增益倍数 即0.1V x 11 =1.1V 这个时候 我们选择直流分析 计算节点电压 确认输出为1.1V 电路工作正常 这里最常见的错误是将输入接地 在0V输入的时候放大器会尝试将输出驱动到地 而这并不是放大器的线性工作状态 噪声仿真需要放大器处于线性工作区间 以保证结果正确 请注意 要进行噪声分析 就必须将交流电源连接到运放电路的输入端 该电路的输入源Vin需要有一个0.1V直流偏执的交流电压源 确认放大器线性工作后运行分析 噪声分析 在弹出窗口里面输入一个频率范围 使得噪声收敛到一个最终值 通常我们选择放大器带宽的10倍 在这个例子里放大器的带宽是20M 所以我们尝试100M的最大频率 仿真后 你可以在右侧看到仿真出来的噪声谱密度 和积分噪声曲线请注意 积分噪声曲线收敛于 128.78μV 这是我们将在最终噪声计算中使用的总均方根噪声 如果您不熟悉噪声仿真可以在TI高精度实验室 运算放大器视频中 了解更多信息 链接位于页面底部 以供参考 这里 我们对信号链总噪声进行计算 首先 我们需要将ADC信噪比SNR指标转换为均方根噪声电压 计算ADC噪声的公式 需要满量程的均方根噪声输入电压范围 该ADC的满量程范围是5V 满量程范围对应于峰峰值输入 为了将其转换为均方根值 我们需要除以2并乘以0.707 对于这个例子均方根输入计算为0.5 x 5V 再 x 0.707 = 1.767V该器件的数据所测 典型SNR为93dB 我们将所有这些数据带入方程 可以算出该ADC的总噪声为39.6μV rms 接下来 我们用均方根的方式叠加ADC 放大器和参考源的噪声 在这个例子中 总噪声为134μV rms 最后 如果我们需要SNR形式的总噪声 我们可以把rms的电压值转换为SNR值 在这个例子中 总的SNR是82.4dB 因此 放大器和参考源的噪声 是的ADC的SNR从93dB降低到82.4dB 请注意 在这里参考源的噪声很小 可以忽略不计 在TI高精度实验室的其他视频中介绍的 模拟工程师计算器里面有一个工具 可以自动进行上一张幻灯片中的计算 首先输入放大器的均方根噪声 然后输入ADC数据所测里面的信息 最后按确定 系统的总噪声会显示在右侧 请注意 这些数字与上一张幻灯片中的计算值相匹配 你可以在页面底部的网址下载此计算器 这里 我们测量上一张幻灯片中的噪声 测量噪声的一种方法是查看系统对高精度直流输入信号 产生的直方图 在理想情况下 这个直方图应该只有一个码字对应输入电压 但是 在实际上 大多数ADC都有对应输出噪声高斯分布的输出码字 这种分布的标准偏差等于总均方根噪声 在这个测量实例中 分布的标准偏差或者Sigma是1.78个码字 我们可以通过将标准偏差乘以一个LSB的宽度 将其转换为噪声电压 在这个例子中噪声计算为1.78 x 76.29μV = 136μV rms 测得的136μV噪声 与上一张幻灯片134μV的计算结果非常吻合 降低噪声 优化信号链的一种方法是通过选择低噪声放大器 并且仔细选择元器件 以最小化噪声 但是 一旦信号链优化以后 如果你还想进一步降低系统噪声 那平均就是减少总噪声的另外一种方法 这里显示了前面真实测量的噪声例子 对于随机不相关的高斯噪声分布 平均后的总噪声是平均前的总噪声 除以平均数的平方根 此处的计算示例展示了前面一个例子中 10倍平均的影响 在平均之前的噪声影响1.8个码字 经过10倍平均 即除以根号10以后 噪声只影响0.57个码字 对前面ADC的实测数据 进行十点滑动平均 即算得平均后的数据标准差了0.59个码字 因此 平均值对实际测量数据的影响 与计算的噪声除以根号N的值非常接近 然后 我们用100点的滑动平均 进行类似实验 并且计算与测量的平均值 都相当好的把噪声降低到0.18个码字 要小心 继续平均噪声 不一定可以实现降噪 平均是基于不相关的高斯分布 某些形式外部噪声不符合这个标准 此外 平均对噪声的降低会有限制 你不可能把噪声降低到低于1LSB的位宽 感谢观看本视频请尝试完成小测验 以巩固你对本视频内容的理解