解析信号第9部分：降低高分辨率Delta-Sigma ADC电路中的参考噪声

第9部分分析了几种不同的降低系统参考噪声影响的方法，并分析了参考噪声对低分辨率和高分辨率adc影响的差异。

在解析信号系列的第8部分讨论了模数转换器（ADC）噪声与参考噪声的关系，推导了参考噪声的计算公式，确定了增益对系统参考噪声水平的影响。

在第9部分中，我将通过分析几种不同的方法来总结参考噪声对整个系统的影响。我还将研究参考噪声对低分辨率和高分辨率adc的影响。

正如我在第8部分中所讨论的，进入数据采集系统的参考噪声量取决于参考源的噪声性能以及满标度范围（FSR）的利用率。为了证明这种对利用率的依赖性，我绘制了ADC噪声、参考噪声和总噪声作为满标度利用率（输入电压）的函数，假设参考电压为2.5V。图1显示了使用德州仪器（TI）的这种关系图ADS1261，一个带有集成可编程增益放大器（PGA）的24位delta-sigma ADC。

图1 ADC噪声、参考噪声和有效分辨率与FSR利用率的关系

如第8部分所述，参考噪声开始以40%的利用率控制系统的总噪声，从而抵消了高分辨率ADC提供的噪声效益。为了帮助缓解这一问题并实现精确系统，有三种技术可以帮助降低参考噪声并利用delta-sigma adc的降噪优势。

降低进入系统的参考噪声水平最明显的方法之一是选择噪声较小的基准电压源。这有助于减少图1中红色条的级别，并扩展有用的FSR使用限制。

然而，正如我在第8部分中所建议的，对于任何给定的输入信号，要注意将参考噪声电平与ADC噪声电平相匹配。例如，如果使用ADS1261对2.5V输入信号进行采样，则只能使用1V/V的增益。在这些情况下，由于FSR的利用率很高，选择噪声比REF6025低的基准电压对整个系统的噪声影响很小（图1）。

另一种可能降低参考噪声影响的方法是提高参考电压，因为这会影响利用率的变化。例如，将参考电压加倍可将利用率降低2倍。然而，这种方法仅在参考噪声没有按比例增加的情况下提供系统噪声效益，但情况并非总是如此。许多离散电压参考系族规定噪声单位为微伏每伏，因为参考噪声与参考电压成线性关系。在这种情况下，基准电压加倍也会使参考噪声加倍，尽管利用率降低，但不会产生系统噪声效益。

减少传入系统的参考噪声量的第三种选择是限制总体有效噪声带宽（ENBW）。限制ENBW的一种方法是降低抗混叠或参考滤波器截止频率。然而，由于C0G的低电压和温度系数，德克萨斯仪器公司建议使用C0G型电容器作为输入信号路径滤波器。信号链设计中使用的典型C0G电容器最多只能使用10-15nF，这就限制了抗混叠滤波器截止值的下限。相反，由于电压参考的直流输出电压几乎恒定，参考滤波器可能采用更高电容的X7R型电容器。对于每种滤波器类型，使用低漂移、低阻抗电阻器（<10kΩ), 因为电阻的热噪声随着阻抗的增加而增加，并可能开始主导信号链噪声。

降低系统ENBW的更常见方法是降低ADC的输出数据速率。图2显示了降低ADC的输出数据速率如何同时降低ADC和参考噪声。例如，在ENBW=96Hz（左）和ENBW=0.6Hz（右）之间，100%利用率下的参考噪声降低了2.3倍，而ADC噪声降低了10倍，导致总噪声大大降低。

图2 限制ENBW可降低总噪声：0.6Hz（左）、24Hz（中）、96Hz（右）

虽然这三种方法可以在许多应用中降低参考噪声，但其他系统可能有固定的参数-例如稳定时间或传感器输出电压-使得这些技术更难使用。在这种情况下，可以通过选择适当的参考配置来减少传入系统的参考噪声量：内部、外部或比率。

精密ADC通常包括集成精密电压基准，通常适用于许多应用。集成参考消除了外部参考所增加的成本、面积和功耗。然而，一般来说，与精密外部基准相比，内部参考系的功率较低，可能具有更高的噪声和更高的漂移，因此不太适合某些高精度和高精度系统。

图3显示了ADS1261在使用集成电压基准作为测量参考源时测量电阻电桥。

图3用ADS1261内部基准测量电阻电桥

如果集成参考电压的规格不够，而ADC允许使用外部参考源，则可以选择外部参考源。与集成参考相比，外部参考通常受益于较低的噪声和更好的漂移参数。这种性能的提高是以更高的功耗、额外的成本和增加的印刷电路板（PCB）面积为代价的。另外，由于ADC和基准电压不共用同一个芯片，它们的温度漂移规范可能不再相关；这是一个综合参考案例。因此，ADC和基准可以独立地向相反的方向漂移，从而导致更大的误差。为避免此问题，请将两个设备连接到一个良好的、导热的接地层上。

将ADC连接到外部参考源时，一个有用的提示是将ADC的负外部参考输入（REFN）路由回外部参考的接地引脚，而不是将REFN直接连接到PCB的接地平面。这就形成了一个“星形”接地连接，有助于避免接地层噪声在负参考输入上拾取，并保持精确的测量结果。

图4显示了与图3相同的电阻桥连接图，但使用的是REF6025电压基准，而不是ADS1261的内部基准。

图4 使用ADS1261和外部基准测量电阻电桥（参考文献6025）

如果需要传感器激励，例如测量电阻电桥或电阻温度检测器（RTD），则使用比例测量配置。此配置对模拟输入和参考电压使用相同的激励源。因此，激励源中的任何噪声或漂移都会对测量和基准产生同样的影响。由于ADC输出代码是输入与基准的比值，激励源噪声和漂移趋于抵消，从而导致噪声性能更接近短路输入情况。一般来说，与其他两种配置相比，这种配置产生的总噪声量最低。

比例基准的主要缺点是它只能用于需要传感器激励的应用场合。因此，如果系统不需要传感器激励，则必须从其他两个参考配置选项中选择一个。

图5显示了与图3和图4中相同的电路，但具有比率参考配置。请注意5V电桥激励电压如何也用作ADS1261的外部差分参考电压（REFP-REFN）。

图5 用ADS1261和比例基准测量电阻电桥

到目前为止，我已经做了定性的声明，比率参考比外部参考提供更好的噪声性能，外部参考比内部参考提供更好的噪声性能。如果你看一下TI的24位数据表ADS1259从数量上看，这是真的。图6显示了ADS1259数据表中的一个图，其中包括所有三种配置的测量噪声性能。

图6 比较了ADS1259与内部、外部和比率基准配置的总噪声增量

VIN=0V时，图6中的曲线图显示ADS1259的固有噪声约为0.5µVRMS。在100%利用率（VIN=±2.5V）下，内部参考将该基线噪声增加400%至2.5µVRMS，而外部参考5025将总噪声增加150%至1.25µVRMS。将这些曲线与几乎平坦的比率参考曲线进行比较，在利用率为100%时，总噪声仅增加50%。此配置允许您使用ADS1259的整个FSR，而不会显著增加总噪声，从而获得最佳的整体系统噪声性能。

你能把这些结论同样地应用于所有的delta-sigma adc吗？到目前为止，在本系列中，我已经分析了24位和32位转换器，以更好地了解电压参考噪声如何影响这些设备的性能。一般来说，这些高分辨率ADC提供非常低的噪声，因此任何参考噪声都会对系统噪声产生显著影响。参考噪声如何影响低分辨率ADC？

您可以将用于测量参考噪声对高分辨率adc的影响的原理应用到低分辨率adc。使用前面示例中的相同设置，让我们将REF6025连接到具有不同分辨率的ADC上，并在100%利用率下测量总噪声。图7描述了这个设置。

图7 使用ADS1262和REF6025进行系统设置

让我们选择八个具有不同分辨率的ADC作为图7中的n位ADC。表1提供了每个ADC的基线噪声信息作为其分辨率的函数。

表1.按ADC分辨率划分的固有ADC噪声

正如我在系列文章的第一部分, 量化噪声通常控制低分辨率ADC的总噪声（<16位），因此其值对应于最低有效位（LSB）大小。相反，由于高分辨率ADC中的热噪声相对较大，18、24和32位ADC噪声大于相应的LSB大小。

为了计算ADC和参考电压的组合噪声，取每个分量噪声的平方根（RSS），因为我假设100%的利用率。表2包括两个组件的总噪声，以及与仅ADC噪声相比噪声增加的百分比。

增加ADC和总噪声的百分比

对比度较高的ADC和ADC-2之间的对比度有较高的对比度。高达大约16位电平（表2中红色突出显示的单元格），REF6025的噪声实际上对系统的总噪声没有影响，即使在100%的利用率下也是如此。在这些情况下，ADC量化噪声的高电平超过参考噪声的较低电平。因此，低噪声外部参考在这里提供的好处很少，特别是与增加的系统成本和尺寸相比。事实上，许多低分辨率的adc不包括外部参考输入，而是依赖于一个集成的基准甚至是电源电压来执行这个功能。

然而，这并不意味着在使用较低分辨率的adc时，您不必担心参考噪声。累积效应取决于特定参考电压的噪声、系统带宽和利用率。我建议执行一些快速计算，以确定任何外部组件可能对系统产生的一般影响。

参考噪声对18位、24位和32位高分辨率ADC（表2中蓝色突出显示的单元格）的影响更大。所有这些ADC都经历了相对于ADC本身的噪声的显著增加。随着ADC分辨率的提高，这个结果更加明显，32位ADC由于仅参考噪声而经历了难以置信的553%的噪声增加。在更高的分辨率水平上，使用本文概述的降噪方法并选择适当的参考配置对于保持测量精度至关重要。

在解析信号的第10部分中，我将讨论时钟如何影响精度ADC。

以下是一些要点的总结，有助于更好地理解电压基准噪声如何影响delta-sigma-adc：

• 降低参考噪声：使用低噪声基准减少你的ENBW增加参考电压（只要参考噪声不成比例增加）使用比例配置

• 通过选择提供与ADC噪声性能类似的参考噪声性能的参考配置，优化系统噪声性能。