信号链分步噪声分析指南

作者：Rose Delaney and Pasquale Delizia

本文介绍了对高速宽带宽信号链的噪声性能进行理论分析所需的步骤。尽管选择了特定的信号链进行分析，但突出显示的步骤可以认为对任何类型的信号链都有效。建议五个主要阶段：声明假设，绘制链信号的简化原理图，计算每个信号链模块的等效噪声带宽，计算所有模块在信号链输出端的噪声贡献，以及添加所有噪声贡献。分析显示了如何使用简单的数学来描述所有噪声贡献。了解每个模块如何影响整体噪声，设计人员可以适当地修改设计（例如，组件的选择）以优化其噪声性能。

介绍

在 设计 测量 信号 链 时， 必须 通过 噪声 分析 确定 信号 链 解决 方案 的 噪声 是否 足够低， 以便 轻松 提取 最小 的 目标 信号。彻底的噪声分析可以在生产过程中节省时间和金钱。本文将概述进行信号链噪声分析所需的主要步骤。

图1.精密宽带宽电流/电压测量功率优化信号链。

分析分为五个主要步骤：

1. 声明假设

2. 绘制链信号的简化示意图

3. 计算每个信号链模块的等效噪声带宽

4. 计算所有模块在信号链输出端的噪声贡献

5. 添加所有噪声贡献

1. 声明假设

对于噪声分析或对信号链电路执行的任何分析，重要的是要概述对信号链中每个模块所做的假设。概述了为这项工作所做的一些假设：

保护块

假设保护块不会增加任何明显的噪音。该模块的噪声将由保护开关块的小导通电阻引起。在以下示例中，我们使用导通电阻为11 Ω的ADG5421F，因此产生的噪声频谱密度（NSD）为0.43 nV/√Hz。由于该值比增益模块的最低NSD小18倍，因此无需考虑。如果实施额外的保护措施（TVS二极管等），还需要考虑这些保护措施。

信号滤波模块

假设信号滤波模块只有一个极点。假设考虑到被检查的带宽（400 kHz）与采样频率（15 MSPS）的单极点就足够了。

参考块

假设来自基准电压模块的噪声可以忽略不计，因为所选的基准电压具有出色的噪声性能（0.25 p-p（10 Hz至1 kHz）和0.21 ppm rms（10 Hz至1 kHz）），因此不包括在分析中。这是特定于此信号链示例的，如果使用不同的信号链和基准电压源，则需要进一步分析。

隔离块

不考虑来自隔离块的噪声。

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。仅考虑热噪声。

对于ADC，取总噪声（kTC和其他噪声源）。

采样频率（15 MSPS）远大于正在检查的带宽（400 kHz）。

2. 绘制信号链的简化原理图

从信号链解决方案（见图1）中，为以下每个阶段生成一个简化的原理图（见图2）：

增益模块

信号滤波器

模数转换器驱动器

ADC 输入 RC 滤波器

模数转换器

我们还可以注意到：

增益级被视为黑匣子，因为它的噪声性能基于其增益并考虑所有内部噪声源。这意味着增益级产生的噪声可以直接使用数据手册中增益放大器的NSD值计算。增益选择完全包含在增益级内。

信号滤波器嵌入在驱动器中。选择使用无源滤波器会降低总功耗，这是所分析信号链的主要属性之一。通过这样做，R 的值滤波器， RG和 RF需要仔细选择以确保总信号增益为1，如图4所示。R 的值G对信号滤波器的带宽贡献如下：

哪里

RC网络级的分量值发生在ADC采样之前，使用精密ADC驱动器工具找到。此工具的默认值用于信号链分析计算。这些值也可以在产品数据表上找到或计算。2

图2.简化的信号链。

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

 

在本节中，我们将单独计算所有模块的等效噪声带宽和噪声贡献。

 

需要注意的关键公式：

 

电阻的NSD可通过以下公式找到：

等效噪声带宽（ENB）是砖墙滤波器的带宽，其产生的集成噪声功率与实现的滤波器相同。3

信号链模块的ENB计算公式为：

对于单极系统：

对于 2 极系统：

注意：此CAN公式仅适用于此ADC输入RC滤波器和ADC采样RC网络生成的2极点滤波器的组合。使用不同的过滤器组合时，可能需要不同的注意事项。

对于具有两个或更多极的系统，请参阅表 1。噪声带宽比用于计算ENB。3

 

极数	噪声带宽比
1	1.57
2	1.22
3	1.16
4	1.13
5	1.11

 

当无源滤波器用于信号滤波器时，以下分析适用，如图3所示。

注意：对于信号滤波器中的此分析

这样做是为了避免驱动器级的增益，因为我们只希望增益发生在增益模块中。同样

如图 4 所示。

 

增益模块

 

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

NSD值考虑了增益模块的所有噪声源，并在数据手册中给出。

图3.用于噪声分析的原理图部分。

图4.设置电阻值以进行噪声分析。

用于信号滤波器

 

信号滤波器或抗混叠滤波器应设计为在链中的下一个全差分放大器（FDA）级中保持1的增益。这意味着将FDA输入电阻分成两个相等的电阻 - 一个用于无源信号滤波器，另一个用于FDA的输入：

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

这与差分方案有关。

 

用于 ADC 驱动器放大器电阻器

 

放大器电阻产生的噪声（R司机和 R司机图4中突出显示的/2）由信号链接下来两个模块中存在的组合滤波器进行滤波。

这是一个二阶滤波器，由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC组成。

 

2 与微分方案有关。

4与噪声增益有关：

2 与微分方案有关。

它们在同一步骤中组合，如下所示：

 

用于驱动器放大器

 

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

二阶滤波器

9与放大器噪声增益有关：

ADC 输入 RC 滤波器

 

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

二阶滤波器

2 与微分方案有关。

 

模数转换器

 

ADC产生的噪声可以直接添加，并从数据手册中计算。

–以dBFS为单位的满量程幅度和信噪比（SNR）可以从数据手册中找到。

 

5. 计算信号链的噪声

 

要添加所有噪声贡献，请使用和方根方法：

 

噪声频谱密度

 

噪声频谱密度（NSD）可以考虑ADC采样频率来计算。

 

需要注意的要点

 

不同器件的NSD只有在相同带宽上测量时才能直接添加。

信号滤波电阻值的选择取决于噪声与信号链功耗的应用要求以及所检查的带宽。

 

有关进一步的I&V噪声、带宽和功耗分析：

 

 

摘要表

图5.摘要表。

 

增益模块
信号滤波器

模数转换器驱动器

ADC 输入 RC 滤波器
模数转换器

 

图6.工作的例子。

 

获得	噪声增益级LTC6373	噪声信号滤波器	噪声驱动器放大器电阻器	噪声驱动器放大器ADA4945	噪声ADC 输入 RC 滤波器	噪声模数转换器LTC2387	噪声总（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

 

*以上测量值均为μV rms

结论

通过执行这些步骤，设计人员将能够分析和计算所选信号链的噪声性能。该分析提供了有关信号链中不同组件如何影响噪声性能以及如何最小化噪声性能的有用见解（例如，更改电阻的尺寸、更改组件或最小化等效噪声带宽）。因此，设计人员可以创建一个方案，确保信号链提取最小的目标信号，从而节省时间和金钱。

附录

 

其他配置：

 

可以选择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滤波器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电流消耗和低噪声。但是，它可能不适合某些应用，因为它的失真性能在整个频率范围内并不好。

如果选择了有源滤波器，则需要对计算进行更改：

 

用于信号滤波器

 

有源滤波器：

2 与微分方案有关。

选择R滤波器以保持1的增益。

 

用于滤波放大器

 

当使用有源滤波器版本时，滤波器放大器会产生噪声，滤波器放大器构成有源滤波器的一部分。这对于与无源滤波电路一起使用不是必需的，因为没有使用滤波放大器。

 

用于 ADC 驱动器放大器电阻器

有源滤波器：

2 与微分方案有关。

注意：有源滤波器电路中放大器驱动器的噪声增益为1：

2 与微分方案有关。

 

用于驱动器放大器

有源滤波器：

4与放大器噪声增益有关：

在这里，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。

所有其他计算仍如前所述。

图7.活动过滤器配置。

审核编辑：郭婷