第6部分:解决信号放大器在Delta-Sigma adc噪声的影响

本系列文章正在中央台上映关注delta-sigma adc噪声的影响。解决信号系列的第6部分关注产出——与input-referred噪音,添加一个放大器的输入ADC,低收入和高分辨率ADC与放大器噪声。

在许多数据采集(采集)系统,精密测量的低输入信号是一种常见的设计挑战。例如,许多工厂自动化应用程序使用可编程序逻辑控制器(plc)做出决定基于温度传感器读数或负载细胞。同样,石油钻井平台使用工业差压流量计精度确定——毫升-删除多少油。

衡量这些过程变量,许多类型的终端设备采用模拟传感器如电阻温度探测器(高压),热电偶或电阻桥。通常这些传感器输出非常低级上面需要获得信号采集系统的噪声。此外,工程师可以使用增益增加使用更多的动态范围模拟-数字转换器(ADC)全面范围(FSR)。在这两种情况下,增加获得任何模拟系统一般需要一个放大器,这可能是一个离散的组件或集成到一个信号链组件,如ADC。

与任何组件电气系统的引入,这些放大器噪声的贡献。这噪音影响系统如何?部分6和7的“解决信号”系列文章试图回答这个问题通过提供深入了解放大器噪声和它如何影响一个典型信号链。

第6部分关注这些话题与放大器噪声:

• 输出——与input-referred噪音。
• 添加一个放大器的输入ADC。
• 低收入和高分辨率adc。

第5部分继续探索有效的噪声带宽与dbeplay体育下载不了elta-sigma adc和系统级设计。第7部分将提供一个详细设计的例子使用商用adc和放大器来补充和扩大在本文的理论探索。beplay体育下载不了

输出——与Input-Referred噪音

Output-referred噪声或噪音referred-to-output, V_N,RTO——是在ADC的输出噪声测量,顾名思义。回想一下第2部分本系列的一个方法ADC制造商用来描述ADC噪声一起短设备的输入和测量噪声的输出来确定固有噪声ADC,如图1所示。

图1所示。测量output-referred噪音

然而,实际上还回忆,值数据表通常input-referred报道。类似于输出噪声,input-referred噪声或噪音referred-to-input VN, RTI是ADC噪声的输入。与output-referred噪音,input-referred噪声计算,而不是测量。ADC没有集成获得阶段,input-referred等于output-referred噪声,如方程1所示:

方程1

为什么ADC制造商指定噪声作为input-referred而不是output-referred ?要回答这个问题,它可以帮助创建一个等效电路噪声模型通过分离的ADC噪声为“无声”ADC,之前一个电压源等于ADC的input-referred噪音,如图2所示。

图2。无声的ADC之前噪声源等于ADC的input-referred噪音

现在,当你输入一个真正的信号到ADC,很容易看出你想要ADC噪声特征input-referred因为它定义了系统的输入分辨率。有效输入信号“竞争”input-referred噪声:如果信号的振幅大于input-referred噪音,你将能够观察它;否则,信号将被埋在噪音和你不能遵守它。

最终,如果你知道你需要解决最小的输入信号,input-referred噪声非常容易告诉你如果一个特定的ADC可以提供必要的决议。,这虽然是不太重要的独立的adc output-referred噪音等于input-referred噪音,如果你添加一个放大器信号通路?

添加一个放大器的输入ADC

分析放大器对总体系统噪声的影响,可以单独从噪声源ADC基本一样。在这种情况下,你可以作为一个模型之前无噪声放大器电压源等于放大器的噪声,VN, AMP,如图3所示。另外,你可以假设输入源(V_信号)是无声的,但在实践中,增益级放大任何传感器噪声。

图3。无噪声放大器和无声的ADC分开,referred-to-input噪声源

既然你不能直接测量input-referred噪音,首先需要确定output-referred噪声系统如图3所示。假设放大器和ADC噪声是不相关的,把root-sum-square (RSS)的值来确定总output-referred噪音。

一个不幸的副作用也获得输入信号是你获得放大器的噪声。因此,首先需要规模放大器噪声放大器的增益,大伞。方程2显示结果output-referred噪声:

方程2

您现在可以使用这个output-referred噪音方程并将其转换成一个系统的等效input-referred噪声源。先完成,简化了线路图在图3中有一个等效电路两种噪声源噪声模型结合referred-to-input噪声源(VN RTI)。这也简化了分析通过允许您确定简单的信号链(ADC +放大器)为您的应用程序有足够的分辨率。

图4。无声的组件与一个总input-referred噪声源

计算从output-referred input-referred噪音噪音,每个噪声项除以电路增益,大伞,如方程3所示:

方程3

注意的位置增加项,大伞,在这两个方程2和3。在方程2中,放大器的噪声增益成正比,而在方程3 ADC的噪声增益的倒数成正比。在这两种情况下,给定一个足够大的放大器增益和比较放大器噪声,ADC噪声变得微不足道。结果input-referred噪音就完全取决于放大器的噪声,给出了方程4。这是真的放大器是否融入ADC或者是一个离散的组件。

方程4

如果你添加额外的放大器,信号链,如图5所示?你可以添加多个离散的放大器或ADC与集成放大器以及外部放大器。

图5。无声的放大器和无声的ADC与独立,referred-to-input噪音来源

像以前,这些噪声条件组合为一个input-referred噪声源的噪声等效电路模型,如图6所示。

图6。多个噪声放大器的输入ADC input-referred总噪声的来源

你可以用图6和方程2和3,以帮助确定这个扩展的input-referred噪声信号链的n放大器,用方程5:

方程5

在前面的示例中,新方程取决于input-referred噪声信号链中所有设备的噪声贡献。然而,每一项扩展了所有的放大器增益的乘积的倒数,只留下最初的术语——第一放大器的电压噪声获得独立的。

类似于方程4,这意味着有一个很大的第一阶段,所有其他条款零方程5有效方法,使系统的input-referred噪声仅依赖于第一个放大器的噪声。因此,对于最佳性能单和多级放大器配置,选择低噪声放大器起步阶段有一个很大的收获。

方程4所暗示的,这个选择的效果不等于所有adc。实际上,你可以对一个低分辨率ADC higher-noise放大器,或者用一个更大的增益,仍然满足所需的系统噪声性能。此外,高分辨率ADC甚至可能看不到任何效果温和上涨增加。

让我们来分析这些结论进一步通过观察16位ADS114S0824位ADS124S08相比。这两个adc具有不同的分辨率,但否则相同,包括一个集成的可编程增益放大器(PGA)相同的放大器噪声。他们的相似之处让你分析ADC的分辨率不同如何影响系统噪声增益的变化。

低收入和高分辨率adc

图7显示了input-referred ADS114S08和噪音ADS124S081 V / V的收益和2 V / V和所有可用的数据速率。如果你选择任何数据率- 50 sps,例如,input-referred噪声的比值在这些收获,你会得到大约2对adc。换句话说,随着增益的增加2倍,同时噪音减少2倍。在这种情况下,添加增益提高了系统噪声性能的高(24位)和低分辨率adc(16位)。

图7。Input-referred噪声(µV_RMS[µV_页)表显示G = 1和2 V / V - SINC3过滤器,AVDD = 3.3 V, AVSS = 0 V, PGA启用,全球砍残疾和内部2.5 V参考

相比之下,图8显示了相同的计算使用的最高收益64 V / V和128 V / V。这里,低分辨率ADC一直保持2的比率,而高分辨率ADC的比率已经下降到大约1。在后一种情况下,增加获得不再改善噪声性能。导致这种差异的原因是什么?

图8。Input-referred噪声(µV_RMS[µV_页)表显示G = 64和128 V / V - SINC3过滤器,AVDD = 3.3 V, AVSS = 0 V, PGA启用,全球砍残疾和内部2.5 V参考

对低分辨率ADC (quantization-noise-dominant),获得的结果之间的定比高水平的ADC噪声放大器噪声相比。在这种情况下,不满足条件方程4所,随着ADC噪声比放大器噪声大得多。ADC噪声并减少每次增加2倍,但即使在最低水平(G = 128 V / V), ADC噪声放大器噪声相比仍占主导地位。因此,您从来没有真正“看到”放大器噪声的测量,使这个特定的信号链较少依赖放大器的性能和使您能够使用更大的潜在改善噪声性能增益值。

对高分辨率adc (thermal-noise-dominant),相反,即使adc使用相同的放大器。在这种情况下,ADC噪声放大器噪声低得多,乘以增益,因此符合条件方程4。因此,VN, RTI有效成为常数,导致input-referred噪声性能几乎没有改变,尽管增加收益。在这种情况下放大器性能是至关重要的,在许多情况下,使用一个放大器系统导致系统分辨率比没有放大器。

更详细beplay体育下载不了地探索这些点,读第7部分“解决信号”,我将通过一个设计实例,增加不同的外部放大器的输入一个高分辨率ADC和每个组合的系统噪声性能进行比较。

关键的外卖

这是一个总结的要点来帮助更好地了解放大器噪声影响delta-sigma adc:

• 信号链没有收获,output-referred噪音= input-referred噪音。
• Output-referred噪音=测量;input-referred噪音=计算。
  • Input-referred噪声是系统的输入分辨率。
• 一期系统放大器噪声占主导地位input-referred噪声(假设噪声值和一个大第一阶段获得类似的组件)。
  • 使用一个高分辨率(低噪声)ADC噪声放大器会降低系统的性能。
• 最佳噪声性能,第一阶段通常配置为一个低噪声,小信号增益放大器。

文章内容的一种形式,允许行业合作伙伴分享有用的新闻,信息,技术和关于电路的读者的方式编辑内容并不适合。所有行业的文章受到严格的编辑指南的目的是提供读者有用的消息,技术专长,或故事。在行业的文章中表达的观点和意见不一定是合作伙伴和所有的电路或其作家。