解析信号第7部分：放大器噪声对Delta-Sigma模数转换器的影响

发布人：电子资料库时间：2023-01-07 来源：工程师发布文章

本系列文章共12篇，主要讨论delta-sigma-adc中噪声的影响。第七部分介绍了如何分析不同放大器对同一ADC噪声的影响。

在第6部分在“解析信号”中，我定义了输出和输入参考噪声，推导了每种噪声的方程，深入研究了单级和多级放大器配置，并讨论了增加增益对低分辨率和高分辨率的影响模数转换器（ADC）。在第6部分中，我还得出结论，在将高增益外部放大器与高分辨率ADC配对时，需要更仔细地考虑它们的噪声性能。

在第7部分中，我将使用一个设计示例来证明这一说法，该示例分析不同的放大器如何影响同一个高分辨率ADC的噪声。我将使用32位ADS1262源于德州仪器作为基线ADC，由于其噪声级极低，集成了可编程增益放大器（PGA）。集成的PGA噪声作为分析的参考点，可以与几个不同的外部放大器进行比较。

计算ADC输入参考噪声

首先要做的是确定ADC的基线输入参考噪声。理论上可以使用第6部分中导出的方程，以及图1中所示的等效噪声模型。

图1具有一个总输入参考噪声源的“无噪声”部件

然而，这种方法要求您知道ADC和PGA的噪声谱密度，这不是ADC数据表中的常见规范。相反，您实际上可以放弃任何计算，只需在ADC数据表的噪声表中查找适用的输入参考噪声。这突出了使用集成放大器的ADC的好处之一：第6部分讨论的计算由ADC制造商有效地完成，与使用带ADC的外部放大器相比，简化了系统噪声分析。

因此，剩下的唯一操作就是选择ADC的设置。在本例中，我将以每秒60个采样数（SPS）的输出数据速率（ODR）和SINC4滤波器使用ads1622，尽管相同的方法适用于任何数据速率和滤波器类型的组合。表1显示了ADS1262在这些设置和所有可用增益下的输入参考噪声值。在接下来的分析中，我将使用这些值作为基准输入参考噪声。

Table 1. ADS1262 input-referred noise in µVRMS (µVPP) for ODR = 60SPS, SINC4 filter, TA = 25°C, AVDD = 5V, AVSS = 0V, VREF = 2.5V

选择外部放大器

现在您已经了解了如何确定ADC的输入参考噪声，下一步是选择一个外部放大器来比较基准性能。一旦选定，您可以使用单放大器噪声模型的修改版本和第6部分中导出的输入参考噪声方程来完成分析。虽然您实际评估的是多级放大器电路，但您不需要使用第6部分中的多级放大器模型，因为来自ADS1262集成PGA的放大器噪声包含在表1中报告的总输入参考噪声中。图2显示了等效噪声模型的修改版本，方程1是相应的输入参考噪声方程。

图2 ads162adc与PGA噪声相结合的改进等效噪声模型

方程式1

对于这个分析，让我们选择 OPA141 , OPA211，和 OPA378型. 这三种精密放大器不同的电压噪声特性将展示各自的优点和挑战，但您可以对任何类型的外部放大器执行相同的分析。

计算放大器电压噪声

下一步是确定每个放大器的噪声电压。要做到这一点，您需要电压噪声密度图和噪声规范，从OPA141开始（图3）。OPA141的电压噪声密度由两个不同的区域组成：低频（1/f）噪声区域（红色突出显示）和平坦（宽带）区域以蓝色突出显示。

图3OPA141噪声参数表和电压噪声密度图，突出显示1/f（红色）和宽带噪声（蓝色）

这种非平坦的噪声密度使得计算OPA141的噪声贡献成为一个挑战。对于窄带系统，1/f噪声将占主导地位，而宽带系统将更依赖于放大器的宽带噪声。因此，要确定放大器的噪声贡献，首先需要计算系统的有效噪声带宽（ENBW）。

给定所选ODR处ADC数字滤波器的窄带，您可以假设ADC的带宽支配整个信号链。在本系列的第5部分中，我使用ADS1262的SINC4滤波器以60SPS的频率计算了一个14Hz的ENBW（您也可以使用这个ODR处的-3dB点来近似ENBW）。使用14Hz作为系统ENBW，并将其覆盖在OPA141图上作为理想的砖墙滤波器，将确定放大器的噪声贡献，图4中紫色区域突出显示。

图4 OPA141电压噪声谱密度图理想的14Hz砖墙滤波器

由于ENBW很小，OPA141的噪声几乎完全来自1/f区域。要确定此噪波的实际值，可以使用直接积分或简化公式估计噪音密度曲线下的面积。当进行这些计算时，你会发现OPA141为系统提供了45nVRMS的噪声。

这与下一个放大器OPA211相比如何？图5显示了OPA211的噪声参数及其电压噪声谱密度曲线，与OPA141相比，其形状类似。紫色区域突出了OPA211的噪声贡献，给出了14赫兹的ENBW。

图5 OPA211电压噪声频谱密度图及噪声规格表

然而，这个紫色区域只代表了OPA211对系统产生的18.3nVRMS噪声，大大低于OPA141。因此，你不应该从噪声图的形状或放大器的噪声表中的值来假设任何东西。相反，在对外部放大器的噪声性能做出任何判断之前，进行必要的计算是非常重要的。

与前两个放大器相比，第三个放大器OPA378具有不同的电压噪声谱密度曲线，如图6所示。由于OPA378是斩波稳定放大器，其噪声谱密度曲线近似平坦，没有明显的1/f分量。因此，您可以使用数据表的电压噪声密度值（20nV/√Hz）计算大约76nVRMS的电压噪声进入系统，以紫色突出显示。

图6 OPA378电压噪声频谱密度图及噪声规范表

电压噪声计算完成后，让我们把这些放大器加到ADS1262的输入端，看看这对系统噪声性能的影响。但在此之前，让我们先来看看图6中捕获的另一个参数：电流噪声。

关于电流噪声的一点看法

尽管第7部分的重点是电压噪声，但图6中OPA378的噪声谱密度曲线也包括电流噪声图（单位为每根赫兹的毫安）。使用电压噪声计算中相同的ENBW，可以计算出OPA378当前的噪声贡献为759个农场。虽然这个值与OPA378的电压噪声相比似乎微不足道，但回想一下，电流噪声的累积效应取决于该元件所看到的输入阻抗。因此，有必要了解是什么输入阻抗导致OPA378的电流噪声是显著的。

图7用OPA378绘制了输入阻抗与总噪声（电压加电流）增加百分比的关系图，突出了几种不同的输入阻抗及其对总噪声的相应影响。例如，输入阻抗为14kΩ 产生电流噪声，相对于单独的电压噪声，总噪声增加1%。或者，如果你能承受10%的噪音预算，你的系统可以承受46k的输入阻抗Ω.

图7 OPA378总噪声（电压加电流）的增加百分比与输入阻抗

因此，当信号源/传感器输出阻抗较大时，电流噪声可能很重要。然而，对于典型的传感器输入，如电阻温度检测器（RTD）或电阻电桥电路，其阻抗通常为≤1公里Ω – 电流噪声对总噪声的影响很小。

我将在这个例子中忽略电流噪声，假设输入阻抗很小。然而，一个完整的噪声分析总是包括当前的噪声计算，至少要确认它们是否可以忽略不计。

现在，让我们通过在ADS1262的输入端添加外部放大器来完成分析，以比较结果。

外部放大器和精密Delta-Sigma adc

表2总结了迄今为止分析的三种不同放大器的噪声性能。

Table 2. Amplifier Voltage Noise Using ENBW=14Hz

要将这些外部放大器与ADC的基线性能进行比较，可以使用数据表值绘制ADS1262的输入参考噪声作为增益函数。然后，使用表2中的信息，将每个放大器添加到ADS1262的输入端，并使用方程式1绘制所有二进制增益值（高达512V/V）的总输入参考噪声。当使用外部放大器时，将ADS1262增益设置为1V/V。图8描述了这个图。

图8 对于ADS1262和三个外部放大器加上ADS1262，输入将噪声视为增益的函数

图8给出了几个有趣的结论，最值得注意的是，与单独使用ADS1262相比，OPA378和OPA141实际上增加了总输入参考噪声，即使在最高增益下也是如此，而OPA211降低了整个系统的噪声。

此外，图8中的所有曲线都在一定程度上开始变平；例如，OPA378的电压为16V/V，OPA211的电压为64V/V。这个转换点充当了一个有用的增益限制，或者在这个点上增加更多的增益对输入参考噪声性能的影响可以忽略不计（因此从分辨率的角度看没有任何值）。

正如我在第6部分，增加增益会导致第一增益级控制整个输入参考噪声方程（见方程式1）。此时，噪声与增益的关系基本上变为常数。即使是ADS1262本身也会在32V/V下经历这种现象，内部PGA成为主要的噪声源。

在许多情况下，在高分辨率delta-sigma ADC的输入端添加外部放大器实际上会损害您的噪声性能，就像OPA141和OPA378一样。这是因为ADC制造商优化了delta-sigma ADC和任何集成PGA（如适用），以便在相对狭窄的输入信号范围内实现精度和精确度。然而，即使是像本文中所讨论的那样的精密放大器，也需要考虑更大范围的输入信号，这使得实现同样的性能水平更具挑战性。

当外部放大器确实改善了噪声性能时，这种改进是有限度的（如图8所示）。此外，除了增加成本、板空间和功耗外，添加外部放大器还会影响其他系统性能指标，如偏移、增益误差和漂移。

最后，在使用高分辨率delta-sigma adc时，必须仔细考虑信号链中放大器的用途。在某些情况下，它们可能是必要的，例如，衰减高压输入，因此了解它们对系统噪声的影响对于成功的设计至关重要。

在“解析信号”系列的第8部分中，我将讨论参考电压噪声对信号链的影响。

主要收获

以下是一些要点的摘要，有助于更好地理解放大器噪声如何影响增量-西格玛ADC：