解析信号第11部分：了解电源噪声如何影响Delta-Sigma模数转换器

解析信号系列的第11部分探讨了电源是如何产生有害噪声的，如何测量和量化这些噪声，以及噪声如何最终影响系统性能。

到目前为止，在“解析信号”一节中，我们重点讨论了模拟组件产生的噪声，这些组件可能位于模数转换器（ADC）外部，也可能集成在ADC中。但是，本系列文章的最后一个主题将分析由电源引起的噪声，这些噪声必须来自设备外部。尽管有些ADC可能集成了电源管理功能，如用于清除噪声的低压差（LDO）调节器，或扩展输入电压范围的电荷泵，但这些功能以及ADC本身仍然需要外部电源供电。而且，与混合信号数据采集系统中的任何其他组件一样，电源也会产生噪声。

幸运的是，您可以将电源噪声分析与我们在本系列文章中讨论的其他噪声源类似。您可以假设您的设备会产生一些噪声，尽管对系统性能的影响取决于来自源的噪声级别和类型。例如，用于便携式应用的3V锂离子电池通常比用于表征ADC特性的精密台式电源噪声更大，输出电压变化更大。一旦为您的应用程序选择了电源和电压轨，您可以采取一些方法来减少电源噪声对ADC性能的影响。

由于“解析信号”的重点是信号链设计，我们假设您的电源（以及随后的噪声贡献）是固定的。换言之，我们将不讨论可能改变电源噪声贡献的电源设计技术。相反，我们将通过讨论这些概念来关注这种噪声如何影响ADC的输出：

• 电源噪声的类型和来源。

• 测量和量化电源噪声抑制。

• 每个ADC电源上的噪声如何影响系统性能。

第12部分讨论了在实际应用中的ADC技术。

对于任何模拟信号链，电力最终来自两个来源之一：电池或交流线路电压。两种电源选择之后，通常都会有某种形式的电源调节电路，用于调节系统其余部分的电源。电源以及有源和无源调节元件会产生一定程度的噪声，这在电源输出中表现为与预期电压的变化。这种变化可以表现为输出中的稳定直流偏移，也可以表现为输出上某个频率和幅度的交流信号。

虽然后者似乎是线路电压供电系统特有的，但电池供电系统也可能包含交流噪声。功率调节部件本身会产生影响性能的噪声。这些设备包括ldo、DC/DC转换器和开关电源（smps）。LDO主要产生热噪声，如与所有电气元件相关的热噪声。开关器件在热噪声的基础上增加了大电流瞬变。通常，在100兆赫的额定频率范围内（100兆赫）的纹波（通常为100兆赫）的额定电压范围内。图1显示了开关纹波、瞬态尖峰和热噪声的示波器图。

图1 SMPS噪声（瞬态、纹波和热噪声）

除了电源调节部件外，交流噪声还可能来自使用同一电源的其他开关部件（如时钟和时钟缓冲器）以及环境照明或其他环境元件。

最终，无论您使用哪种电源，您的ADC电源都可能同时具有热噪声和开关噪声。然而，由于电源噪声是ADC外部的，半导体制造商只能指定ADC在抑制这种噪声方面的有效性。此规范称为电源抑制（PSR）。

在ADC中，PSR描述ADC输出的变化（ΔV出去)相对于其电源的变化（ΔV供应). PSR通常用分贝表示。这个比率被称为电源抑制比（PSRR）。注意，绝对值通常用于描述PSRR，因为负号是隐含的。公式1计算PSRR：

在ADC数据表中可以找到两种不同的指定PSRR的方法：PSRR直流和PSRR自动控制. 电源抑制比直流描述ADC输出因其电源中的直流偏移而变化的程度，而PSRRAC描述输出中出现的电源噪声量。类似于ADC噪声测量的讨论第二部分，ADC制造商使用的PSRR测量方法取决于ADC要测量的信号类型。

例如，低速传感器测量应用通常使用针对直流性能优化的ADC，如德州仪器ADS1261，一个非常低噪声的24位delta-sigma ADC，每秒可采样40千个样本（kSPS）。图2显示了ADS1261的PSRR数据表规范直流因为这个转换器的信号通带通常非常窄。数据表给出了模拟和数字电源的最低和典型电源抑制比规范。

图2ADS1261 PSRR for AVDD = 5 V, AVSS = 0 V, DVDD = 3.3 V, V裁判= 2.5 V, gain = 1 V/V, output data rate (ODR) = 20 SPS

测量PSRR直流ADC制造商将设备的输入端短接在一起，使其偏压到共模电压（V厘米)通常在中间电源附近，测量ADC输出端的偏移电压。看看电压偏移量是多少。图3显示了一个典型的PSRR直流测量设置，额外的100毫伏偏移电压以红色突出显示。

图3电源抑制比直流测量设置使用±100毫伏AVDD上的偏移量

如图2所示，ADS1261的典型PSRR直流模拟电源为100 dB，AVDD。您可以输入-100 dB的PSRR和ΔV供应将100 mV的电压输入方程1，并求解ΔV出去计算偏移量的预期变化。根据方程式1，AVDD中的100 mV变化应在ADC输出处产生偏移电压的1-µV变化。

图4显示了由于电源在时域中的变化而引起的输出偏移电压的变化。输出偏移电压摆幅集中在ADS1261的50µV标称偏移电压上，这是使用图2中给出的相同条件指定的。

图4使用ADS126mV电压变化引起的ADSDD偏移量变化

相对而言，宽频带应用（如振动监测）需要更宽的信号通带，因此需要更高带宽的ADC。这样的adc更容易产生不需要的高频内容，这些内容可能混淆或直接落入感兴趣的信号带宽中。因此，宽带adc通常使用PSRR指定PSR自动控制. 图5显示了德州仪器的PSRR规范ADS127L01，一个24位高速delta-sigma ADC，采样率高达512 kSPS。

图5 ADS127L01 PSRR规范at TA= 25°C, AVDD = 3 V, internal LVDD, DVDD = 1.8 V, V裁判= 2.5 V

PSRR的测量装置自动控制与PSRR非常相似直流，使ADC的输入端短接在一起，然后偏置到中间电源共模电压。然而，PSRRAC不是在电源中引入直流偏移，而是在标称直流电源的顶部使用交流信号进行测量。此交流信号模拟特定频率下的噪声（例如，图5所示的60 Hz电力线频率）。

图6显示了一个典型的PSRR自动控制测量装置，在ADC模拟电源电压（AVDD）顶部设置100 mVP正弦波。如果您的电源电压是3V，您可以使用100 mV重新创建图6中的测试设置峰带3伏直流偏移的正弦波。

图6 电源抑制比自动控制使用100的测量设置-毫伏P正弦波

计算PSRR自动控制在时域中，可以像计算PSRR一样使用方程1直流. 使用100毫伏P振幅作为电源纹波（ΔV供应)而ADS127L01的AVDD PSRR如图5所示（-90 dB），可以预期为3.2µVP在60赫兹的开关纹波将出现在ADC输出。图7显示了电源上的纹波，以及它如何转化为输出端的类似纹波，以ADC的标称偏移电压为中心。

图7 ADC输出中的噪声由100-最有价值球员使用ADS127L01的电源纹波

也可以计算PSRR自动控制通过转换100毫伏P使用ADC的参考电压将纹波提供到分贝。如果使用图5中规定的2.5 V参考电压，则为100 mVP等于-28分贝，或分贝相对于全刻度。PSRR自动控制在这种情况下，是电源纹波振幅和在电源纹波频率（60赫兹）出现的频谱中测得的音调之间的分贝差。图8描绘了电源纹波振幅和ADC输出中出现的噪声，其中差异是ADC在该频率下的PSRR的直接结果。

图8 ADS127L01电源抑制比自动控制在频域中

在上一节中，我们以模拟电源为例讨论了如何测量和指定电源噪声。虽然这对于那些只需要一个电源电压的adc来说是可以接受的，但是更高分辨率的adc往往至少有独立的模拟和数字电源，而一些精度更高的adc则需要更多。例如，您可以在图5中看到ADS127L01实际上有三种不同的电源：模拟（AVDD）、数字（DVDD）和低压调制器电源（LVDD）。图9显示了每个电源的电源抑制比（PSRR）与频率的函数关系。

图9 TA = 25°C, AVDD = 3.3 V, VREF = 2.5 V, HR mode, ¯INTLDO = 1

从图9可以得出结论，LVDD最容易受到ADS127L01上的电源噪声的影响。直观地说，这是有意义的，因为该电源直接由ADC的delta-sigma调制器使用，它对输入信号进行采样。对于这个特定的ADC，您需要对LVDD应用一些电源降噪技术，以确保它的噪声量最小，从而最大限度地提高性能。

另外，在图9中可以看到，在电源频率（fPS公司)大约是200千赫。在这个频率下，三个电源的电源抑制比开始增加到160分贝。在图9中，ADS127L01使用宽带1数字滤波器以512 kSPS的速度工作。此滤波器响应将ADC通带设置为大约204 kHz。因此，ADS127L01的数字滤波器阻带衰减电平在ADC通带之外的频率下抑制了电源纹波，大约116分贝。这提高了所有三个电源在更高频率下的电源抑制比。

图9中的这些观察结果提供了关于电源噪声的两个重要问题的提示：首先，在考虑系统的PSR时，哪个ADC电源电压是最关键的；第二，如何降低系统中的整体电源噪音？

“解决信号”中的最后一篇文章将通过使用ADS127L01电动汽车 .