信号链噪声分析分步指南

原创亚德诺半导体 2022-08-24 18:01

设计测量信号链时，重要的是通过噪声分析来确定信号链解决方案是否具有足够低的噪声，从而可以轻松提取极小的目标信号。细致的噪声分析可以节省生产过程中的时间和成本。本文将概述进行信号链噪声分析所需的主要步骤，使用ADI公司精密宽带宽技术页面上的功耗优化型电流和电压测量信号链作为例子，分析如何使用简单的数学计算来描述所有噪声的贡献，了解每个模块对总噪声的贡献，让设计人员能够适当地修改设计。

图1.精密宽带宽电流/电压测量功率优化型信号链

分析分为五个主要步骤：

1. 给出假设

2. 绘制信号链的简化原理图

3. 计算每个信号链模块的等效噪声带宽

4. 计算各个模块在信号链输出端的噪声贡献

5. 将所有噪声贡献相加

1. 给出假设

对于噪声分析或在信号链电路上执行的任何分析，重要的是列出为信号链中每个模块所做的假设。下面是为本文的工作所做的一些假设：

保护模块

假设保护模块不增加任何显著的噪声。来自该模块的噪声是由保护开关模块的较小导通电阻引起的。在以下示例中，我们使用 ADG5421F 其具有11Ω的导通电阻，因此产生0.43 nV/√Hz的噪声谱密度(NSD)。此值只有增益模块最低NSD的1/18，因此不需要考虑。如果实施了额外的保护措施（TVS二极管等），则还需要考虑这些保护措施。

信号滤波模块

假设信号滤波模块仅有一个极点。考虑到所要研究的带宽(400 kHz)与采样频率(15 MSPS)，假设单极点是足够的。

基准电压模块

假设来自基准电压模块的噪声可以忽略不计，因为所选择的基准电压源具有优异的噪声性能——0.25 p-p（10 Hz至1 kHz）和0.21 ppm rms（10 Hz至1 kHz），因此不纳入分析中。这是该信号链示例所特定的，如果使用不同的信号链和基准电压源，则需要进一步分析。

隔离模块

不考虑来自隔离模块的噪声。

其他假设

分析在25°C (298.15 K)的温度下进行。
假设给定模块的NSD在采样频率上是均匀的。只考虑热噪声。
对于ADC，取总噪声（kTC和额外的噪声源）。
采样频率(15 MSPS)远大于所研究的带宽(400 kHz)。

2. 绘制信号链的简化原理图

根据信号链解决方案（参见图1），为以下各级绘制简化的原理图（参见图2）：

增益模块
信号滤波器
ADC驱动器
ADC输入RC滤波器
ADC

我们还可以注意到：

增益级被视为黑匣子，因为其噪声性能基于增益并考虑了所有内部噪声源。这意味着可以使用数据手册中增益放大器的NSD值来直接计算增益级中产生的噪声。增益选择完全包含在增益级内。

信号滤波器嵌入驱动器内。使用无源滤波器可降低整体功耗，这是被分析信号链的主要特性之一。这种情况下，需要仔细选择R_filter、R_G和R_F的值，以确保整体信号增益为1，图4突出显示了这一点。R_G的值对信号滤波器的带宽有贡献，如下所示：

其中

使用精密ADC驱动器工具计算RC网络（在ADC采样之前）的元件值。此工具中的默认值用于信号链分析计算。这些值也可以在产品数据手册上找到或计算出来。

图2.简化信号链

3＆4. 计算每个信号链模块的等效噪声带宽(ENB)，并计算各个模块在信号链输出端的噪声贡献

本部分将单独计算各个模块的等效噪声带宽和噪声贡献，需注意的主要公式：

电阻的NSD可计算如下：

等效噪声带宽(ENB)是产生与所实现的滤波器相同的积分噪声功率的砖墙滤波器的带宽。

信号链模块的ENB计算如下：（此公式仅适用于该ADC输入RC滤波器和ADC采样RC网络产生的双极点滤波器的组合。使用不同的滤波器组合时，可能需要考虑其他因素。）

对于双极点系统：

对于单极点系统：

对于具有两个或更多极点的系统，请参阅表1。噪声带宽比用于计算ENB。

表1.噪声带宽比与极点数的关系

如图3所示，当将无源滤波器用于信号滤波器时，以下分析适用。注意：对于此分析，信号滤波器中

这样做是为了避免在驱动器级获得增益，因为我们只希望在增益模块中产生增益。另外，R_driver = R_F，如图4所示。

增益模块

增益模块产生的噪声由滤波器模块滤除，其带宽远低于由ADC驱动器输出RC网络和ADC输入采样网络产生的滤波器的带宽。

NSD值考虑了增益模块的所有噪声源，并在数据手册中给出。

图3.噪声分析的原理图部分

针对信号滤波器

信号滤波器或抗混叠滤波器应特别设计，使得信号链接下来的全差分放大器(FDA)级保持增益为1。这意味着要将FDA输入电阻分成两个相等电阻：一个用于无源信号滤波器，另一个用于FDA的输入端
滤波器电阻(R_filter)产生的噪声由滤波器本身滤除，其带宽远低于由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC产生的组合滤波器的带宽。