解析信號(hào)第7部分：放大器噪聲對(duì)Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器的影響

本系列文章共12篇，主要討論delta-sigma-adc中噪聲的影響。第七部分介紹了如何分析不同放大器對(duì)同一ADC噪聲的影響。

在第6部分在“解析信號(hào)”中，我定義了輸出和輸入?yún)⒖荚肼暎茖?dǎo)了每種噪聲的方程，深入研究了單級(jí)和多級(jí)放大器配置，并討論了增加增益對(duì)低分辨率和高分辨率的影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。在第6部分中，我還得出結(jié)論，在將高增益外部放大器與高分辨率ADC配對(duì)時(shí)，需要更仔細(xì)地考慮它們的噪聲性能。

在第7部分中，我將使用一個(gè)設(shè)計(jì)示例來證明這一說法，該示例分析不同的放大器如何影響同一個(gè)高分辨率ADC的噪聲。我將使用32位ADS1262源于德州儀器作為基線ADC，由于其噪聲級(jí)極低，集成了可編程增益放大器（PGA）。集成的PGA噪聲作為分析的參考點(diǎn)，可以與幾個(gè)不同的外部放大器進(jìn)行比較。

圖1具有一個(gè)總輸入?yún)⒖荚肼曉吹摹盁o噪聲”部件

然而，這種方法要求您知道ADC和PGA的噪聲譜密度，這不是ADC數(shù)據(jù)表中的常見規(guī)范。相反，您實(shí)際上可以放棄任何計(jì)算，只需在ADC數(shù)據(jù)表的噪聲表中查找適用的輸入?yún)⒖荚肼?。這突出了使用集成放大器的ADC的好處之一：第6部分討論的計(jì)算由ADC制造商有效地完成，與使用帶ADC的外部放大器相比，簡化了系統(tǒng)噪聲分析。

因此，剩下的唯一操作就是選擇ADC的設(shè)置。在本例中，我將以每秒60個(gè)采樣數(shù)（SPS）的輸出數(shù)據(jù)速率（ODR）和SINC4濾波器使用ads1622，盡管相同的方法適用于任何數(shù)據(jù)速率和濾波器類型的組合。表1顯示了ADS1262在這些設(shè)置和所有可用增益下的輸入?yún)⒖荚肼曋?。在接下來的分析中，我將使用這些值作為基準(zhǔn)輸入?yún)⒖荚肼暋?/span>

Table 1. ADS1262 input-referred noise in μVRMS (μVPP) for ODR = 60SPS, SINC4 filter, TA = 25°C, AVDD = 5V, AVSS = 0V, VREF = 2.5V

現(xiàn)在您已經(jīng)了解了如何確定ADC的輸入?yún)⒖荚肼?，下一步是選擇一個(gè)外部放大器來比較基準(zhǔn)性能。一旦選定，您可以使用單放大器噪聲模型的修改版本和第6部分中導(dǎo)出的輸入?yún)⒖荚肼暦匠虂硗瓿煞治觥ｋm然您實(shí)際評(píng)估的是多級(jí)放大器電路，但您不需要使用第6部分中的多級(jí)放大器模型，因?yàn)閬碜訟DS1262集成PGA的放大器噪聲包含在表1中報(bào)告的總輸入?yún)⒖荚肼曋小D2顯示了等效噪聲模型的修改版本，方程1是相應(yīng)的輸入?yún)⒖荚肼暦匠獭?/span>

圖2 ads162adc與PGA噪聲相結(jié)合的改進(jìn)等效噪聲模型

方程式1

對(duì)于這個(gè)分析，讓我們選擇 OPA141 , OPA211，和 OPA378型. 這三種精密放大器不同的電壓噪聲特性將展示各自的優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)，但您可以對(duì)任何類型的外部放大器執(zhí)行相同的分析。

下一步是確定每個(gè)放大器的噪聲電壓。要做到這一點(diǎn)，您需要電壓噪聲密度圖和噪聲規(guī)范，從OPA141開始（圖3）。OPA141的電壓噪聲密度由兩個(gè)不同的區(qū)域組成：低頻（1/f）噪聲區(qū)域（紅色突出顯示）和平坦（寬帶）區(qū)域以藍(lán)色突出顯示。

圖3OPA141噪聲參數(shù)表和電壓噪聲密度圖，突出顯示1/f（紅色）和寬帶噪聲（藍(lán)色）

這種非平坦的噪聲密度使得計(jì)算OPA141的噪聲貢獻(xiàn)成為一個(gè)挑戰(zhàn)。對(duì)于窄帶系統(tǒng)，1/f噪聲將占主導(dǎo)地位，而寬帶系統(tǒng)將更依賴于放大器的寬帶噪聲。因此，要確定放大器的噪聲貢獻(xiàn)，首先需要計(jì)算系統(tǒng)的有效噪聲帶寬（ENBW）。

給定所選ODR處ADC數(shù)字濾波器的窄帶，您可以假設(shè)ADC的帶寬支配整個(gè)信號(hào)鏈。在本系列的第5部分中，我使用ADS1262的SINC4濾波器以60SPS的頻率計(jì)算了一個(gè)14Hz的ENBW（您也可以使用這個(gè)ODR處的-3dB點(diǎn)來近似ENBW）。使用14Hz作為系統(tǒng)ENBW，并將其覆蓋在OPA141圖上作為理想的磚墻濾波器，將確定放大器的噪聲貢獻(xiàn)，圖4中紫色區(qū)域突出顯示。

圖4 OPA141電壓噪聲譜密度圖理想的14Hz磚墻濾波器

由于ENBW很小，OPA141的噪聲幾乎完全來自1/f區(qū)域。要確定此噪波的實(shí)際值，可以使用直接積分或簡化公式估計(jì)噪音密度曲線下的面積。當(dāng)進(jìn)行這些計(jì)算時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)OPA141為系統(tǒng)提供了45nVRMS的噪聲。

這與下一個(gè)放大器OPA211相比如何？圖5顯示了OPA211的噪聲參數(shù)及其電壓噪聲譜密度曲線，與OPA141相比，其形狀類似。紫色區(qū)域突出了OPA211的噪聲貢獻(xiàn)，給出了14赫茲的ENBW。

圖5 OPA211電壓噪聲頻譜密度圖及噪聲規(guī)格表

然而，這個(gè)紫色區(qū)域只代表了OPA211對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的18.3nVRMS噪聲，大大低于OPA141。因此，你不應(yīng)該從噪聲圖的形狀或放大器的噪聲表中的值來假設(shè)任何東西。相反，在對(duì)外部放大器的噪聲性能做出任何判斷之前，進(jìn)行必要的計(jì)算是非常重要的。

與前兩個(gè)放大器相比，第三個(gè)放大器OPA378具有不同的電壓噪聲譜密度曲線，如圖6所示。由于OPA378是斬波穩(wěn)定放大器，其噪聲譜密度曲線近似平坦，沒有明顯的1/f分量。因此，您可以使用數(shù)據(jù)表的電壓噪聲密度值（20nV/√Hz）計(jì)算大約76nVRMS的電壓噪聲進(jìn)入系統(tǒng)，以紫色突出顯示。

圖6 OPA378電壓噪聲頻譜密度圖及噪聲規(guī)范表

電壓噪聲計(jì)算完成后，讓我們把這些放大器加到ADS1262的輸入端，看看這對(duì)系統(tǒng)噪聲性能的影響。但在此之前，讓我們先來看看圖6中捕獲的另一個(gè)參數(shù)：電流噪聲。

盡管第7部分的重點(diǎn)是電壓噪聲，但圖6中OPA378的噪聲譜密度曲線也包括電流噪聲圖（單位為每根赫茲的毫安）。使用電壓噪聲計(jì)算中相同的ENBW，可以計(jì)算出OPA378當(dāng)前的噪聲貢獻(xiàn)為759個(gè)農(nóng)場(chǎng)。雖然這個(gè)值與OPA378的電壓噪聲相比似乎微不足道，但回想一下，電流噪聲的累積效應(yīng)取決于該元件所看到的輸入阻抗。因此，有必要了解是什么輸入阻抗導(dǎo)致OPA378的電流噪聲是顯著的。

圖7用OPA378繪制了輸入阻抗與總噪聲（電壓加電流）增加百分比的關(guān)系圖，突出了幾種不同的輸入阻抗及其對(duì)總噪聲的相應(yīng)影響。例如，輸入阻抗為14k? 產(chǎn)生電流噪聲，相對(duì)于單獨(dú)的電壓噪聲，總噪聲增加1%?；蛘撸绻隳艹惺?0%的噪音預(yù)算，你的系統(tǒng)可以承受46k的輸入阻抗?.

圖7 OPA378總噪聲（電壓加電流）的增加百分比與輸入阻抗

因此，當(dāng)信號(hào)源/傳感器輸出阻抗較大時(shí)，電流噪聲可能很重要。然而，對(duì)于典型的傳感器輸入，如電阻溫度檢測(cè)器（RTD）或電阻電橋電路，其阻抗通常為≤1公里? – 電流噪聲對(duì)總噪聲的影響很小。

我將在這個(gè)例子中忽略電流噪聲，假設(shè)輸入阻抗很小。然而，一個(gè)完整的噪聲分析總是包括當(dāng)前的噪聲計(jì)算，至少要確認(rèn)它們是否可以忽略不計(jì)。

現(xiàn)在，讓我們通過在ADS1262的輸入端添加外部放大器來完成分析，以比較結(jié)果。

表2總結(jié)了迄今為止分析的三種不同放大器的噪聲性能。

Table 2. Amplifier Voltage Noise Using ENBW=14Hz

要將這些外部放大器與ADC的基線性能進(jìn)行比較，可以使用數(shù)據(jù)表值繪制ADS1262的輸入?yún)⒖荚肼曌鳛樵鲆婧瘮?shù)。然后，使用表2中的信息，將每個(gè)放大器添加到ADS1262的輸入端，并使用方程式1繪制所有二進(jìn)制增益值（高達(dá)512V/V）的總輸入?yún)⒖荚肼?。?dāng)使用外部放大器時(shí)，將ADS1262增益設(shè)置為1V/V。圖8描述了這個(gè)圖。

圖8 對(duì)于ADS1262和三個(gè)外部放大器加上ADS1262，輸入將噪聲視為增益的函數(shù)

圖8給出了幾個(gè)有趣的結(jié)論，最值得注意的是，與單獨(dú)使用ADS1262相比，OPA378和OPA141實(shí)際上增加了總輸入?yún)⒖荚肼暎词乖谧罡咴鲆嫦乱彩侨绱?，而OPA211降低了整個(gè)系統(tǒng)的噪聲。

此外，圖8中的所有曲線都在一定程度上開始變平；例如，OPA378的電壓為16V/V，OPA211的電壓為64V/V。這個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)充當(dāng)了一個(gè)有用的增益限制，或者在這個(gè)點(diǎn)上增加更多的增益對(duì)輸入?yún)⒖荚肼曅阅艿挠绊懣梢院雎圆挥?jì)（因此從分辨率的角度看沒有任何值）。

正如我在第6部分，增加增益會(huì)導(dǎo)致第一增益級(jí)控制整個(gè)輸入?yún)⒖荚肼暦匠蹋ㄒ姺匠淌?）。此時(shí)，噪聲與增益的關(guān)系基本上變?yōu)槌?shù)。即使是ADS1262本身也會(huì)在32V/V下經(jīng)歷這種現(xiàn)象，內(nèi)部PGA成為主要的噪聲源。

在許多情況下，在高分辨率delta-sigma ADC的輸入端添加外部放大器實(shí)際上會(huì)損害您的噪聲性能，就像OPA141和OPA378一樣。這是因?yàn)锳DC制造商優(yōu)化了delta-sigma ADC和任何集成PGA（如適用），以便在相對(duì)狹窄的輸入信號(hào)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精度和精確度。然而，即使是像本文中所討論的那樣的精密放大器，也需要考慮更大范圍的輸入信號(hào)，這使得實(shí)現(xiàn)同樣的性能水平更具挑戰(zhàn)性。

當(dāng)外部放大器確實(shí)改善了噪聲性能時(shí)，這種改進(jìn)是有限度的（如圖8所示）。此外，除了增加成本、板空間和功耗外，添加外部放大器還會(huì)影響其他系統(tǒng)性能指標(biāo)，如偏移、增益誤差和漂移。

最后，在使用高分辨率delta-sigma adc時(shí)，必須仔細(xì)考慮信號(hào)鏈中放大器的用途。在某些情況下，它們可能是必要的，例如，衰減高壓輸入，因此了解它們對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響對(duì)于成功的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

在“解析信號(hào)”系列的第8部分中，我將討論參考電壓噪聲對(duì)信號(hào)鏈的影響。

以下是一些要點(diǎn)的摘要，有助于更好地理解放大器噪聲如何影響增量-西格瑪ADC：

• 知道如何確定放大器總噪聲。

• 如果電源具有高阻抗輸出，請(qǐng)考慮電流噪聲的影響。

• 集成PGA提供了幾個(gè)好處，包括：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)所需的數(shù)學(xué)量較少。優(yōu)化分辨率和精度

• 高增益并不總是提高分辨率；這取決于所使用的任何放大器、ADC和系統(tǒng)ENBW。

• 除了噪聲（偏移、漂移等），放大器還可以影響其他性能指標(biāo)。