• 12月 2021
    卷 55

信号链噪声分析分步指南

Rose Delaney 和 Pasquale Delizia 下载 PDF

摘要

本文介绍对高速宽带宽信号链进行噪声性能理论分析的各个步骤。尽管选择了一个特定信号链，但介绍的这些步骤适用于所有类型的信号链。主要分为五个步骤：给出假设，绘制信号链的简化原理图，计算每个信号链模块的等效噪声带宽，计算各个模块在信号链输出端的噪声贡献，最后将所有噪声相加。分析显示了如何使用简单的数学计算来描述所有噪声的贡献。了解每个模块对总噪声的贡献，让设计人员能够适当地修改设计（例如，元器件的选择），以优化其噪声性能。

简介

设计测量信号链时，重要的是通过噪声分析来确定信号链解决方案是否具有足够低的噪声，从而可以轻松提取极小的目标信号。细致的噪声分析可以节省生产过程中的时间和金钱。本文将概述进行信号链噪声分析所需的主要步骤。我们将使用ADI公司 精密宽带宽技术页面上的功耗优化型电流和电压测量信号链作为例子。

Figure 1. A precision wide bandwidth current/voltage measurement power optimized signal chain.
图1.精密宽带宽电流/电压测量功率优化型信号链

分析分为五个主要步骤：

1. 给出假设

2. 绘制信号链的简化原理图

3. 计算每个信号链模块的等效噪声带宽

4. 计算各个模块在信号链输出端的噪声贡献

5. 将所有噪声贡献相加


1. 给出假设


对于噪声分析或在信号链电路上执行的任何分析，重要的是列出为信号链中每个模块所做的假设。下面是为本文的工作所做的一些假设：

  • 保护模块

     

    • 假设保护模块不增加任何显著的噪声。来自该模块的噪声是由保护开关模块的较小导通电阻引起的。在以下示例中，我们使用 ADG5421F 其具有11Ω的导通电阻，因此产生0.43 nV/√Hz的噪声谱密度(NSD)。此值只有增益模块最低NSD的1/18，因此不需要考虑。如果实施了额外的保护措施（TVS二极管等），则还需要考虑这些保护措施。 Signal filtering block
  • 信号滤波模块

     

    • 假设信号滤波模块仅有一个极点。考虑到所要研究的带宽(400 kHz)与采样频率(15 MSPS)，假设单极点是足够的。
  • 基准电压模块

     

    • 假设来自基准电压模块的噪声可以忽略不计，因为所选择的基准电压源具有优异的噪声性能——0.25 p-p（10 Hz至1 kHz）和0.21 ppm rms（10 Hz至1 kHz），因此不纳入分析中。这是该信号链示例所特定的，如果使用不同的信号链和基准电压源，则需要进一步分析1。
  • 隔离模块

     

    • 不考虑来自隔离模块的噪声。
  • 其他假设

     

    • 分析在25°C (298.15 K)的温度下进行。
    • 假设给定模块的NSD在采样频率上是均匀的。只考虑热噪声。
    • 对于ADC，取总噪声（kTC和额外的噪声源）。
    • 采样频率(15 MSPS)远大于所研究的带宽(400 kHz)。

2. 绘制信号链的简化原理图


根据信号链解决方案（参见图1），为以下各级绘制简化的原理图（参见图2）：

  • 增益模块
  • 信号滤波器
  • ADC驱动器
  • ADC输入RC滤波器
  • ADC

我们还可以注意到：

  • 增益级被视为黑匣子，因为其噪声性能基于增益并考虑了所有内部噪声源。这意味着可以使用数据手册中增益放大器的NSD值来直接计算增益级中产生的噪声。增益选择完全包含在增益级内。
  • 信号滤波器嵌入驱动器内。使用无源滤波器可降低整体功耗，这是被分析信号链的主要特性之一。这种情况下，需要仔细选择Rfilter、RG和RF的值，以确保整体信号增益为1，图4突出显示了这一点。RG的值对信号滤波器的带宽有贡献，如下所示：
Equation 1

其中

Equation 2
  • 使用 精密ADC驱动器工具计算RC网络（在ADC采样之前）的元件值。此工具中的默认值用于信号链分析计算。这些值也可以在产品数据手册上找到或计算出来2。
Figure 2. A simplified signal chain.
图2.简化信号链

3.和4. 计算每个信号链模块的等效噪声带宽(ENB)，并计算各个模块在信号链输出端的噪声贡献


本部分将单独计算各个模块的等效噪声带宽和噪声贡献。


需注意的主要公式：


  • 电阻的NSD可计算如下：

Equation 3

  • 等效噪声带宽(ENB)是产生与所实现的滤波器相同的积分噪声功率的砖墙滤波器的带宽3。
  • 信号链模块的ENB计算如下：
    • 对于单极点系统：
    Equation 4
    • 对于双极点系统：
    Equation 5
    • 注意：此公式仅适用于该ADC输入RC滤波器和ADC采样RC网络产生的双极点滤波器的组合。使用不同的滤波器组合时，可能需要考虑其他因素。
  • 对于具有两个或更多极点的系统，请参阅表1。噪声带宽比用于计算ENB 3。
Equation 6
表1.噪声带宽比与极点数的关系
极点数 噪声带宽比
1 1.57
2 1.22
3 1.16
4 1.13
5 1.11

如图3所示，当将无源滤波器用于信号滤波器时，以下分析适用。

注意：对于此分析，信号滤波器中 Equation 7

这样做是为了避免在驱动器级获得增益，因为我们只希望在增益模块中产生增益。另外，Rdriver = RF，如图4所示。Equation 8


增益模块


  • 增益模块产生的噪声由滤波器模块滤除，其带宽远低于由ADC驱动器输出RC网络和ADC输入采样网络产生的滤波器的带宽。

    •  

  • Equation 9

    •  

  • Equation 10

     

    • NSD值考虑了增益模块的所有噪声源，并在数据手册中给出。
Figure 3. Schematic sections for noise analysis.
图3.噪声分析的原理图部分
Figure 4. Setting resistor values for noise analysis.
图4.设置电阻值进行噪声分析

针对信号滤波器


  • 信号滤波器或抗混叠滤波器应特别设计，使得信号链接下来的全差分放大器(FDA)级保持增益为1。这意味着要将FDA输入电阻分成两个相等电阻：一个用于无源信号滤波器，另一个用于FDA的输入端：
Equation 11

滤波器电阻(R_filter)产生的噪声由滤波器本身滤除，其带宽远低于由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC产生的组合滤波器的带宽。

 

  • Equation 12

    •  

  • Equation 13

     

    • 2与差分方案有关。

针对ADC驱动放大器电阻


  • 放大器电阻（图4中突出显示的Rdriver和Rdriver/2）产生的噪声由信号链中接下来两个模块中存在的组合滤波器滤除。

     

    • 这是一个二阶滤波器，由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC组成。

    •  

  • Equation 14

    •  

  • Equation 15

     

    • 2与差分方案有关。
    • 4与噪声增益有关：
Equation 16
  • Equation 17

       

    • 2与差分方案有关。

这些噪声在同一步骤中合并如下：

  • Equation 18

针对驱动放大器


  • 放大器驱动器产生的噪声由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC所产生的组合滤波器滤除。

     

    • 二阶滤波器
  • Equation 19

    •  

  • Equation 20

     

    • 9与放大器噪声增益有关：
Equation 21

ADC输入RC滤波器


  • ADC输入RC滤波器网络中的电阻产生的噪声由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC所产生的组合滤波器滤除。

     

    • 二阶滤波器
  • Equation 22

    •  

  • Equation 23
    • 2与差分方案有关。

ADC


  • ADC产生的噪声可以直接从数据手册找到和计算。

     

    • Equation 24

-满量程幅度和信噪比（SNR，单位为dBFS）可以在数据手册中找到。


5. 计算信号链的噪声


  • 要将所有噪声贡献相加，请使用平方和开根号的方法：

       

    • Equation 25

噪声谱密度


  • 考虑ADC采样频率，可以计算噪声谱密度(NSD)。

    •  

  • Equation 26

重点注意事项


  • 只有在相同带宽上测量，才能将不同器件的NSD直接相加。
  • 信号滤波器电阻值的选择取决于应用的噪声要求、信号链的功耗和所研究的带宽。

进一步的电流/电压噪声、带宽和功耗分析：


Equation 27

Equation 28

摘要表

Figure 5. Summary sheet.
图5.摘要表
表2.差分信号链的各噪声源
增益模块 Table Equation 1
信号滤波器 Table Equation 2
ADC驱动器

 Table Equation 3

Table Equation 4
ADC输入RC滤波器 Table Equation 5
ADC Table Equation 6
Figure 6. Worked example.
图6.范例。
表3.图6示例中不同级的噪声贡献
增益 Noise增益级 LTC6373 Noise信号滤波器 Noise驱动放大器电阻 Noise驱动放大器 ADA4945 NoiseADC输入RC滤波器 NoiseADC LTC2387 Noise总计 （RSS方法）
0.25 8.30 2.27 61.9 47.6 7.99 45.9 91.3
0.5 10.5 2.27 61.9 47.6 7.99 45.9 91.6
1 14.8 2.27 61.9 47.6 7.99 45.9 92.2
2 19.3 2.27 61.9 47.6 7.99 45.9 93.0
4 30.1 2.27 61.9 47.6 7.99 45.9 95.8
8 53.3 2.27 61.9 47.6 7.99 45.9 105
16 101 2.27 61.9 47.6 7.99 45.9 136

*以上测量的单位全部是μV rms

Equation 29

结论

通过以上步骤，设计者将能够分析和计算所选信号链的噪声性能。关于信号链中不同元器件如何影响噪声性能，以及如何使噪声最小化（例如，改变电阻大小、改变元器件或使等效噪声带宽最小），分析将会提供有用的见解。这样，设计人员就可以创建一份提议，确保信号链能够提取极小的目标信号，帮助节省时间和金钱。

附录


其他配置：


有一个选择是使用有源滤波器，而不是无源滤波器，如图7所示。

选择在信号链中使用有源还是无源滤波器，将取决于应用。分析中使用的有源滤波器具有低功耗和低噪声特性。但是，其在整个频率范围内的失真性能不太好，可能不适合某些应用。

如果选择有源滤波器，则必须更改计算：


针对信号滤波器


Equation 30

有源滤波器：

  • Equation 31

    • 2与差分方案有关。

  • 选择Rfilter以保持增益为1。

针对滤波放大器


当使用有源滤波器时，作为有源滤波器一部分的放大器会产生噪声。无源滤波器电路没有使用滤波器放大器，因此这是不需要的。

  • Equation 32

    •  

  • Equation 33

针对ADC驱动放大器电阻


Equation 34

有源滤波器：

  • Equation 35

       

    • 2与差分方案有关。
    • 注意：有源滤波电路中放大器驱动器的噪声增益为1：
Equation 36

 

  • Equation 37

     

    • 2与差分方案有关。

    这些噪声合并如下：

    • Equation 38

针对驱动放大器


Equation 39

有源滤波器：

  • Equation 40

    • 4与放大器噪声增益有关：

Equation 41

    这是所使用放大器驱动器特定的。

    • 这里，我们可以使用单端等效电路，其所有噪声都出现在运算放大器的正输入端。

所有其他计算仍然如上所述。

Figure 7. Active filter configuration.
图7.有源滤波器配置

参考电路

1 Alan Walsh。“精密逐次逼近型ADC的基准电压源设计” 。《模拟对话》，第47卷第2期，2013年6月。

2 Alan Walsh “面向精密SAR模数转换器的前端放大器和RC滤波器设计” 。模拟对话，第46卷第4期，2012年12月。

3 Tim J. Sobering。“技术笔记1：等效噪声带宽” 。堪萨斯州立大学。1991年5月。

“ 教程MT-048：运算放大器噪声关系：1/f噪声、RMS噪声和等效噪声带宽” 。ADI公司，2009年。

作者

Rose Delaney

Rose Delaney

Rose Delaney是爱尔兰科克大学的电气电子工程本科生。她于2021年以产品应用实习生身份加入ADI公司精密技术部。

Pasquale Delizia

Pasquale Delizia

Pasquale Delizia 2006年毕业于意大利巴里理工大学，获电子工程师硕士学位；2010年毕业于意大利莱切大学，获微电子博士学位。2010年起，他加入ADI公司精密转换器技术部，从事精密转换器架构工作。