解决信号部分8：电压参考噪声如何影响三角洲Sigma ADC

解决信号系列的第8部分进一步深入研究了不同的噪声源如何通过专注于参考噪声和ADC噪声以及增益如何影响参考噪声来影响精度三角洲ADC。

想象一下，您需要设计高分辨率传感器测量系统，例如精确温度传感单元以控制工业烤箱。为此，您在烤箱中安装热电偶以测量温度，将热电偶连接到测量系统，然后模拟数字转换器（ADC）输出数字代码。您如何确定该代码对应的实际温度？

在模拟电路设计中，您使用电压参考作为对模拟测量进行的基线。在此示例的上下文中，参考的标称电压确定所得的输出代码，该输出代码与特定温度相关。如果更改参考电压，则输出代码也将扩展，而测得的温度将保持不变。

由于输出代码与参考电压的值直接相关，因此嘈杂或不准确的电压参考会产生类似不可靠的测量值。因此，对于高分辨率系统，选择适当的电压参考与选择精度ADC同样重要。

为了进一步了解不同的噪声源如何影响精度三角洲ADC，我将讨论以下主题，因为它们与“解析信号”文章系列中的电压参考噪声有关：

• 参考噪声和ADC噪声
• 增益如何影响参考噪声

在第9部分中，我将从第8部分进行观察，并定义几种减少参考噪声的方法。我还将研究参考噪声如何影响低分辨率和高分辨率ADC。

参考噪声和ADC噪声

在本系列的第2部分，我讨论了用于表征ADC噪声的两种不同类型的测量：正弦波输入和输入折扣。顾名思义，正弦波输入输入具有特定振幅和频率的正弦波，以表征ADC如何量化该信号。相反，输入缩短方法通过缩短设备的输入并测量由于热噪声而测量输出代码中的微小变化来确定DC处的ADC性能。图1说明了这些类型的噪声测量值。

图1。正弦波输入测试设置（左）;输入简短测试设置（右）

ADC的输出代码与ADC输入信号幅度（VIN）成正比，除以ADC的参考电压（VREF），如公式1：1：

当我们使用非零输入信号来表征ADC（就像正弦波输入方法一样），结果输出代码包括一些参考噪声。虽然目的是仅表征ADC噪声，但该参考噪声总是成为ADC数据表中报告的噪声参数的一部分，包括信噪比（SNR）（SNR）和信噪比和噪声比率和失真（SINAD）。

因此，使用类似于ADC测试设置的系统，您可以实现与Sine-Wave输入方法特征的设备中报告的ADC噪声性能相当。

相比之下，输入缩短方法使用0V输入信号在不存在信号时测量ADC输出代码中的波动。在这种情况下，由于等式1中的比率始终等于0，因此在输出时看不到参考噪声。输入缩短方法定义了ADC的绝对分辨率限制，因为您不能期望可靠地测量小于ADC固有噪声的输入。由于输入简短，数据表噪声参数（例如输入引用噪声和有效分辨率）不包括参考噪声的效果。如果您想用这种类型的ADC测量非零输入信号，则应该期望以前看不见的电压参考噪声会增加输出的总噪声，超出ADC数据表中所述的内容。

为了确定电压参考增加了多少噪声，图2显示了ADC噪声，参考噪声和组合噪声之间的关系，与使用了多少全尺度范围（FSR）（使用百分比）。图2以及随后的讨论，适用于ADC噪声小于参考噪声（NADC nRef），则由于ADC噪声较高，低噪声电压参考将几乎没有任何好处。

图2。ADC噪声（蓝条图），参考噪声（红色条形图）和联合ADC加参考噪声（绿线）作为正利用率的函数

图2有三个重要点：

点

当输入电压为0V时，这一点是总噪声。由于点A使用了定义输入噪声测量测试的相同条件，因此您可以直接从ADC的数据表中读取它。

点b

当输入电压等于参考电压时，这是总噪声，即全尺度读数。通常，以参考噪声和ADC噪声的平方（RSS）为单位，以确定点B。但是，当参考噪声大得多时，就像图2 - 点B中的情况一样仅作为参考噪声近似。无论哪种方式，您通常都无法直接从数据表中读取电压参考噪声的值，因为它取决于几个因素，包括电压参考的噪声特性。图3显示了德州仪器的输出噪声光谱密度Ref6025，2.5V精度电压参考。

图3。REF6025的输出噪声光谱密度图

在图3中，与较高频率（宽带噪声）相对较平坦的噪声密度相比，请注意低频（1/F噪声）下噪声密度的显着增加。就像分析的几个放大器一样本系列的第7部分，参考噪声性能不一定在频率上恒定。

幸运的是，您可以使用相同的方法来计算用于计算放大器噪声的参考噪声，包括直接集成或简化公式。您还需要计算系统的有效噪声带宽（ENBW）以使用这些方法，因为ENBW为进入系统的参考噪声提供了一个截止频率。

点c

该点是点A和B的极端之间的任何通用噪声值。您可以使用等式2：计算点C：

在公式2中，点B根据FSR的利用率缩放。通常，您可以使用等式2来确定图2中图的任何点的总噪声，包括点A和B。

方程2的一个重要结果是，鉴于NADC

相反，您需要平衡增加的增益和FSR利用，以确保您满足系统噪声要求。让我们以示例来检查增益和参考噪声之间的关系。

增益如何影响参考噪声

对于此示例，让我们继续使用图3中所示的Ref6025，并将其与ADS1261，一个24位三角洲ADC。该设备提供低噪声和集成的可编程增益放大器（PGA），这两者都将使参考 - 噪声与增益的关系更加明显。尽管有这些选择，您仍可以将此分析应用于ADC和电压参考的任何组合。图4显示了此示例的系统设置。

图4。使用ADS1261和REF6025的系统设置

类似于放大器噪声分析本系列的第6部分，您可以将图4中的组件分为“无噪声”设备，前面是电压源，等效于每个组件的噪声。可以直接从ADS1261的数据表中读取ADC噪声（VN，ADC），而您必须使用REF6025数据表以及系统ENBW计算电压参考噪声（VN，REF）。幸运的是，您可以使用我详细说明的近似方法本系列的第5部分确定系统ENBW。在这种情况下，使用每秒60个样本（SPS）输出数据速率（ODR）和ADS1261的低延迟滤波器使用ENBW为13Hz。使用REF6025，这将产生约1.2µVRM的噪声。

最后，您需要选择一个允许您使用所有可用ADC增益选项的输入信号。使用ADS1261的最大增益为128V/v，可以使用2.5V参考电压实现±19.5mV的最大差分输入电压。表1总结了系统规格。

表1. ADS1261-PLUS-REF6025的系统规格示例

现在，您可以将每个组件的噪声绘制为ADS1261 PGA增益的函数，以了解增益如何影响ADC和参考噪声。您还可以在每个步骤中计算系统的有效分辨率，以了解参考噪声的引入如何影响系统的动态范围。请注意，在这种情况下，“有效分辨率”是使用19.5mV信号计算的，而不是每个增益设置下可能的最大FSR，这是ADC数据表中常见的。图5显示了ADS1261的图。

图5。ADS1261噪声，参考噪声和有效分辨率作为增益功能

图5显示，即使使用100％的正全尺度范围，与ADC噪声相比，参考噪声几乎可以忽略不计。因此，由于非常小的输入电压，改变增益对系统传递的参考噪声没有影响，但确实通过减少ADC噪声来减少总噪声（如预期）。

有趣的是，这两个图2和5都有有用的FSR利用率限制（与放大器噪声分析一样）。从系统噪声的角度来看，将输入信号的增加不带来好处。在图2中，这发生在40％的利用因子。在图5中，随着有效分辨率曲线开始变平，该极限的增益大约为32 v/v。

（这些限制特定于此输入电压，噪声带宽，ADC和参考组合。不同的组合会改变此系统限制，因此必须计算任何系统中的该点以避免降低噪声性能的位置至关重要。）

此外，图2和图5证明了将ADC噪声与电压参考噪声匹配的重要性（与电路参数相关）。如果您的输入信号很小并且无法更改，则获得输入信号会降低您的ADC噪声，从而减少系统噪声。结果，您可能还可以使用更嘈杂的参考，因为实际上很少会将参考噪声传递到系统中。

相比之下，如果您的输入信号大于中期，则可以预期参考噪声会占主导地位。在这些情况下，您应始终确保ADC噪声和参考噪声是可比的。否则，您将支付无法实际使用的电压参考性能。幸运的是，有多种方法可以减少参考噪声的影响并维护精度系统。阅读第9部分以了解更多信息。

关键要点

这是一个重要点的摘要，以帮助更好地了解电压参考噪声如何影响三角洲 - sigma ADC：

• 使用FSR利用率从参考电压量表中贡献系统噪声。
• 参考噪声可以具有类似于放大器的1/F和宽带区域。
• 系统中的参考噪声导致有用的FSR利用率限制，此后无法通过信号增益进一步提高噪声性能。
• 尝试将参考源的噪声幅度与ADC的噪声性能匹配，以避免使用非零输入信号降低分辨率。

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