精密数据采集信号链的噪声分析

　　简介

　　在很多应用中，模拟前端接收单端或差分信号，并执行所需的增益或衰减、抗混叠滤波及电平转换，之后在满量程电平下驱动ADC输入端。本文探讨精密数据采集信号链的噪声分析，并深入研究这种信号链的总噪声贡献。

　　如图1所示，低功耗、低噪声、全差分放大器ADA4940-1驱动差分输入、18位、1 MSPS PulSAR® ADC AD7982，同时低噪声精密5 V基准电压源ADR435用来提供ADC所需的5 V电源。此信号链无需额外驱动器级和基准电压缓冲器，简化了模拟信号调理，可节省电路板空间和成本。一个单极点截止频率2.7 MHz RC(22 Ω，2.7 nF)低通滤波器放在ADC驱动器输出和ADC输入之间，有助于限制ADC输入端噪声，并减少来自逐次逼近型(SAR) ADC输入端容性DAC的反冲。

　　图1.低功耗全差分18位1 MSPS数据采集信号链(简化示意图：未显示所有连接和去耦)。

　　ADA4940-1用作ADC驱动器时，用户可以进行必要的信号调理，包括对信号实施电平转换和衰减或放大，以便使用四个电阻实现更大动态范围，从而不再需要额外的驱动器级。采用反馈电阻(R2 = R4)对增益电阻(R1 = R3)之比设置增益，其中R1 = R2 = R3 = R4 = 1 kΩ。

　　对于平衡差分输入信号，等效输入阻抗为2×增益电阻(R1或R3) = 2 kΩ，对于非平衡(单端)输入信号，等效阻抗根据下式计算，约为1.33 kΩ

　　如果需要可以在输入端并联一个终端电阻。

　　ADA4940-1内部共模反馈环路强制共模输出电压等于施加到VOCM输入的电压，同时提供出色的输出平衡。当两个反馈系数(β1和β2)不相等时，差分输出电压取决于VOCM;此时，输出幅度或相位的任何不平衡都会在输出端产生不良共模成分，导致差分输出中有冗余噪声和失调。因此，在这种情况下(即，β1 = β2)，输入源阻抗和R1 (R3)的组合应等于1 kΩ，以避免各输出信号的共模电压失配，并防止ADA4940-1的共模噪声增加。

　　信号在印刷电路板(PCB)的走线以及长电缆中传输时，系统噪声会叠加到信号中，差分输入ADC会抑制信号噪声，并表现为一个共模电压。

　　这款18位1 MSPS数据采集系统的预期信噪比(SNR)理论值可通过每个噪声源(ADA4940-1、ADR435和AD7982)的和方根(RSS)计算得到。

　　ADA4940-1在100 kHz时的低噪声性能典型值为3.9 nV/√Hz，如图2所示。

　　图2.ADA4940输入电压噪声频谱密度和频率的关系。

　　必须计算差分放大器的噪声增益，以便找到等效输出噪声贡献。

　　差分放大器的噪声增益为：

　　其中

　　以及

　　是两个反馈系数。

　　应当考虑下列差分放大器噪声源：

　　由于ADA4940-1输入电压噪声为3.9 nV/√Hz，其差分输出噪声应当为7.8 nV/√Hz。ADA4940-1数据手册中的共模输入电压噪声(eOCM)为83 nV/√Hz，因此其输出噪声为

　　给定带宽条件下，R1、R2、R3和R4电阻噪声可根据约翰逊-奈奎斯特噪声方程计算：

　　其中kB是玻尔兹曼常数(1.38065 × 10 – 23 J/K)，T为电阻绝对温度(开尔文)，而R为电阻值(Ω)。

　　来自反馈电阻的噪声为：

　　来自R1的噪声为：

　　来自R3的噪声为：

　　ADA4940-1数据手册中的电流噪声为0.81 pA/√Hz。

　　反相输入电压噪声：

　　同相输入电压噪声：

　　因此，来自ADA4940的等效输出噪声贡献为：

　　(RC滤波器之后)的ADC输入端总积分噪声为：

　　AD7982的均方根噪声可根据5 V基准电压源情况下的典型信噪比(SNR，98 dB)计算得到。

　　根据这些数据，ADC驱动器和ADC的总噪声贡献为

　　注意，本例中忽略来自ADR435基准电压源的噪声贡献，因为它非常小。

　　因此，数据采集系统的理论SNR可根据下式近似计算。

　　图3.FFT曲线图，fIN = 1 kHz，FS = 1 MSPS (将ADA4940-1配置成全差分驱动器)。

　　AD7982在1 kHz输入信号时，SNR典型值为96.67 dB，THD典型值为-111.03 dB，如图3中的FFT性能所示。这种情况下测得的SNR为96.67 dB，非常接近上文中的96.95 dB SNR理论估算值。数据手册中98 dB的目标SNR的实际损耗由来自ADA4940-1差分放大器电路的等效输出噪声贡献所导致。

　　针对给定应用选择ADC驱动器以驱动SAR ADC时，噪声是一个重要规格，详细查阅带宽、建立时间、输入和输出上裕量/下裕量以及功耗要求也很重要。有关驱动高分辨率精密PulSAR ADC的推荐放大器的更多信息，请参阅ADI公司ADC驱动器选型指南。若要设计差分放大器电路，请下载免费且直观易用的ADI公司DiffAmpCalc™工具。

　　作者简介

　　Maithil Pachchigar是ADI公司马萨诸塞州威明顿ADI仪器仪表、航空航天与防务业务部的应用工程师。2010年加入ADI公司以来，他致力于仪器仪表、工业、医疗健康和能源行业的精密ADC产品系列工作和客户支持。自2005年以来，Maithil一直在半导体行业工作，并已发表多篇技术文章。Maithil于2003年获印度S.V.国家技术学院电子工程学学士学位，2006年获圣何塞州立大学的电气工程硕士学位，

　　2010年获硅谷大学MBA学位。联系方式：maithil.pachchigar@analog.com。