解决信号第1部分:介绍Delta-Sigma adc噪声

在任何信号链设计的基本挑战是确保系统噪声地板是足够低的模拟-数字转换器(ADC)解决感兴趣的信号。不管你的努力减少能源消耗,减少空间或降低成本,噪音水平大于输入信号呈现任何设计有效的用处。结果,这对任何基础知识模拟设计师理解信号链噪音,它对模拟数字转换的影响以及如何减少其影响。

为此,这个“解决信号”系列旨在提供全面了解delta-sigma adc噪声。在这些文章中,我将检查常见的噪声源在一个典型的信号链和补充这种理解的方法来减轻噪声和保持高精度测量。

在继续之前,重要的是要注意,本系列文章涵盖精密(噪音),不准确性。虽然这两个术语经常可以互换,他们指的是不同的——尽管有关方面的信号链的设计。设计高性能的数据采集系统时,您还必须考虑错误由于不准确,如补偿、增益误差,积分非线性(INL)和漂移,除了减少噪音。

在本系列的第1部分中,我将重点放在ADC噪声基本面而回答问题和讨论的话题,例如:

• 噪音是什么?
• 噪音来自在一个典型的信号链?
• 理解在adc固有噪声。
• 在高分辨率和低分辨率adc噪声不同吗?

在第2部分中,我将重点转移到这些主题:

• 测量ADC噪声。
• 噪声在ADC数据表规格。
• 绝对与相对噪声参数。

在第3部分中,我将逐步介绍一个完整的设计实例使用一个电阻桥帮助说明第1部分和第2部分的理论应用到一个实际的应用。

什么是噪音,它是从哪里来的?

噪音是任何干扰信号(通常是随机的),增加了所需的信号,使其偏离原来的值。噪声是所有电力系统固有的,所以没有所谓的“无噪声的电路。

图1描述了如何经历噪声在现实世界中:一个图像噪声过滤掉和同一幅图像没有过滤。注意的细节在图1左边的形象,而对形象几乎完全掩盖。在模拟数字转换过程中,结果将会是信息损失之间的模拟输入和数字输出,就像图1中的两张图片是如何忍受彼此几乎没有相似之处。

图1:一个无噪声的图像(左);相同的图像噪声(右)

在电子电路中,噪声有多种形式,包括:

• 宽带噪声(热,约翰逊),这是与温度有关的噪声引起的物理运动电荷在电导体。
• 1 / f(粉色、闪烁)噪音,这是低频噪声功率密度频率成反比。
• 爆米花(破裂)噪音,低频率的性质和设备缺陷造成的,数学上随机的和不可预测的。

这些形式的噪声可以通过多个源输入信号链,包括:

• adc,贡献相结合的热噪声和量化噪声。
• 内部或外部放大器,可以添加宽带和ADC的1 / f噪声样本,允许它影响代码的输出结果。
• 内部或外部电压参考,也提供宽带和1 / f噪声出现在ADC的输出代码。
• 非理想电源,信号噪声添加到你想测量的耦合方式。
• 内部或外部时钟抖动贡献,转化为非均匀采样。这看起来是一个额外的噪音来源正弦输入信号,通常是更高速adc的关键。
• 可怜的印刷电路板(PCB)的布局,可以从其他地方的一些噪声系统或环境敏感的模拟电路。
• 传感器,可以表达组件在高分辨率的系统之一。

图2描绘了这些噪声源在一个典型的信号链。

图2。常见的噪声源在一个典型的供应链

在本系列9-part的部分1 - 3,我将只专注于内在的ADC噪声。更全面的了解,我将讨论噪音的来源在剩余的电路元件在不同的文章。

固有噪声在adc

你可以总ADC噪声分解成两个主要来源:量化噪声和热噪声。这两个噪声源是不相关的,这使得root-sum-squares (RSS)方法来确定总ADC噪声,NADC,总,如方程1所示:

每个ADC噪声来源都有特定的属性,是重要的理解如何减轻内在ADC噪声。

量化噪声

图3描述了ADC的情节的理想传递函数(影响抵消或增益误差)。最低输入电压的传递函数扩展的最大输入电压水平,分为几个步骤基于ADC编码沿着纵轴的总数。这个情节有16个代码,或步骤,4比特ADC。(注:ADC使用直接二进制代码只会有一个传递函数,包括第一象限)。

图3。ADC的理想传递函数

量化噪声来自的过程映射无限的模拟电压到一个有限数量的数字代码。因此,任何一个数字输出可以对应多个模拟输入电压,可能不同的½最低有效位(LSB),这是定义在方程2:

FSR代表全面范围的值在v和N是ADC的分辨率。

如果地图LSB误差相对于量子化的交流信号,你会得到一个情节就像如图4所示。注意量化之间的不同,“阶梯状”型数字输出和光滑,正弦模拟输入。这两个波形之间的区别和策划结果收益率“锯齿”形图4的底部显示错误。这个错误之间的不同±½LSB和出现噪音的结果。

图4。模拟输入、数字输出和LSB错误波形

同样,为直流信号,与量化相关联的错误之间的不同±½LSB的输入信号。然而,由于没有频率分量的直流信号,量化“噪音”实际上是一个偏移量误差ADC的输出。

最后,一个明显的但重要的量化噪声的结果是,ADC不能测量分辨率之外,因为它不能区分sub-LSB输入的变化。

热噪声

与量化噪声,模拟数字的副产品(或直接)转换过程,热噪声现象的内在所有电器元件的物理运动内部的电导体。因此,您可以测量热噪声即使没有应用一个输入信号。

不幸的是,ADC最终用户不能影响设备的热噪声,因为它是一个函数的ADC设计。在本文的其余部分,我将把所有ADC噪声来源除了量化噪声ADC的热噪声。

图5描述了热噪声在时域,通常有一个高斯分布。

图5。热噪声在时域内的高斯分布

虽然你不能影响ADC的固有的热噪声,你可能会改变ADC的量化噪声水平由于其依赖LSB的大小。然而,量化这种变化的意义取决于你使用“分辨率”或“低分辨率ADC。让我们快速定义这两个术语,这样您就可以更好地理解如何使用LSB大小和量化噪声对你有利。

高分辨率和低分辨率adc

低分辨率ADC是任何设备的总噪声更依赖于量化噪声NADC,量化> > NADC、热。相反,高分辨率ADC是任何设备的总噪声更依赖于热噪声,NADC,量化< < NADC、热。低和高分辨率之间的转变通常发生在16位水平,与任何> 16位认为高分辨率和任何< 16位被认为是低分辨率。虽然不总是正确的,我会把这个一般约定在本系列的其余部分。

为什么做这种区别在16位级别?让我们看看两个ADC数据表。图6显示了德州仪器的实际噪声表ADS114S08, 16位delta-sigma ADC, 24位,ADS124S08。除了他们的决议,这些adc是相同的。

图6。16位ADS114S08 Input-referred噪声(左)和24位ADS124S08µV(右)_RMS(µV_页在V)_裁判= 2.5 V, G = 1 V / V

16位ADS114S08噪声表中,所有的input-referred噪声电压无论数据速率是相同的。相比之下,24位ADS124S08 input-referred噪声值,这都是不同的,减少/提高与降低数据率。

虽然这本身不会导致任何明确的结论,让我们使用方程3和4计算每个ADC的LSB大小,假设2.5 v参考电压:

结合这些观察,可以看到,低分辨率(16位)ADC噪声性能报告其数据表相当于LSB尺寸(最大量化噪声)。另一方面,噪音高分辨率ADC(24位)的报道数据表显然是远远大于它的LSB大小(量化噪声)。在这种情况下,高分辨率ADC量化噪声是如此之低,热噪声有效地隐藏。下面的图7表示这种比较定性。

图7。定性表征量化噪声和热噪声的低分辨率(左)和高分辨率adc(右)

你怎么能充分利用这个结果?对于低分辨率adc量化噪声占主导地位的地方,使用较小的参考电压,以减少LSB大小,降低量化噪声的振幅。这降低ADC的总噪声的影响,由图8(左)表示。

对于高分辨率ADC,热噪声占主导地位,使用更大的参考电压增加输入范围(ADC的动态范围),同时确保量化噪声水平仍低于热噪声。假设没有其他系统的变化,这种增加的参考电压使一个更好的信噪比,可以看到在图8(右)。

图8。调整量化噪声的低分辨率(左)和高分辨率(右)adc来提高性能

现在你了解ADC噪声的组件,以及他们如何不同高和低分辨率ADC,第2部分可以使用这方面的知识,我将讨论如何测量噪声和ADC中指定的数据表。

关键的外卖

这是一个总结要点,帮助更好地理解在delta-sigma adc噪声:

• 噪声是所有电力系统固有的。
• 介绍了噪声通过所有信号链组件。
• 有两种主要类型的ADC噪声:
  • 量化噪声,尺度参考电压。
  • 热噪声,这是一个固定值对于一个给定的ADC。
• 一种类型的噪声一般优势种根据ADC的分辨率:
  • 高分辨率ADC特点:
    • 热noise-dominated。
    • 该决议通常> 1 LSB。
    • 增加了参考电压增加动态范围。
  • 低分辨率ADC特点:
    • 量化noise-dominated。
    • 该决议通常由LSB有限大小。
    • 减少参考电压降低量化噪声,提高分辨率。

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