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讯号链杂讯分析分步指南
[作者 Rose Delaney、Pasquale Delizia]   2022年01月13日 星期四 浏览人次: [1825]

本文介绍对於高速宽频宽讯号链进行杂讯性能理论分析的各个步骤。尽管选择了一个特定讯号链,但这些步骤适用於所有类型的讯号链。主要分为五个步骤:提出假设,绘制讯号链的简化原理图,计算每个讯号链模组的等效杂讯频宽,计算各个模组在讯号链输出端的杂讯贡献,最後将所有杂讯相加。分析显示了如何使用简单的数学计算来描述所有杂讯的贡献。了解每个模组对总杂讯的贡献,让设计人员能够适当地修改设计(例如元组件的选择),以优化其杂讯性能。


简介

设计测量讯号链时,重要的是透过杂讯分析来确定讯号链解决方案是否具有足够低的杂讯,从而可以轻松存取极小的目标讯号。细致的杂讯分析可以节省生产过程中的时间和金钱。本文将概述进行讯号链杂讯分析所需的主要步骤。并使用ADI精密宽频宽技术网页上的功耗优化型电流和电压测量讯号链作为例子。



图1 : 精密宽频宽电流/电压测量功率优化型讯号链
图1 : 精密宽频宽电流/电压测量功率优化型讯号链

分析分为五个主要步骤:


1. 提出假设


2. 绘制讯号链的简化原理图


3. 计算每个讯号链模组的等效杂讯频宽


4. 计算各个模组在讯号链输出端的杂讯贡献


5. 将所有杂讯贡献相加


提出假设

对於杂讯分析或在讯号链电路上执行的任何分析,重要的是列出为讯号链中每个模组所做的假设。下面是为本文的工作所做的一些假设:


保护模组

假设保护模组不增加任何明显的杂讯。来自该模组的杂讯是由保护开关模组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的杂讯谱密度(NSD)。此值只有增益模组最低NSD的1/18,因此不需要考虑。如果进行了额外的保护措施(TVS二极体等),则还需要考虑这些保护措施。


讯号滤波模组

假设讯号滤波模组仅有一个极点。考虑到所要研究的频宽(400 kHz)与采样频率(15 MSPS),假设单极点是足够的。


基准电压模组

文:假设来自基准电压模组的杂讯可以忽略不计,因为所选择的基准电压源具有优异的杂讯性能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。这是该讯号链示例所特定的,如果使用不同的讯号链和基准电压源,则需要进一步分析1。


隔离模组


·不考虑来自隔离模组的杂讯。


其他假设


·分析在25。C (298.15 K)的温度下进行。


·假设给定模组的NSD在采样频率上是均匀的。只考虑热杂讯。


·对於ADC,取总杂讯(kTC和额外的杂讯源)。


·采样频率(15 MSPS)远大於所研究的频宽(400 kHz)。


2. 绘制讯号链的简化原理图


根据讯号链解决方案(图1),为以下各级绘制简化的原理图(图2):


· 增益模组


·讯号滤波器


·ADC驱动器


·ADC输入RC滤波器


·ADC



图2 : 简化讯号链
图2 : 简化讯号链

我们还可以注意到:


·增益级被视为黑盒子,因为其杂讯性能基於增益并考虑了所有内部杂讯源。这表示可以使用资料手册中增益放大器的NSD值来直接计算增益级中产生的杂讯。增益选择完全包含在增益级内。


·讯号滤波器嵌入驱动器内。使用被动滤波器可降低整体功耗,这是被分析讯号链的主要特性之一。这种情况下,需要仔细选择Rfilter、RG和RF的值,以确保整体讯号增益为1,图4突显了这一点。RG的值对讯号滤波器的频宽有贡献,如下所示:


·Bandwidthsignal filter = 1/ 2 x π x R1 x Cfilter


·使用精密ADC驱动器工具计算RC网路(在ADC采样之前)的元件值。此工具中的预设值用於讯号链分析计算。


在3. 和 4. 计算每个讯号链模组的等效杂讯频宽(ENB),并计算各个模组在讯号链输出端的杂讯贡献


本部分将单独计算各个模组的等效杂讯频宽和杂讯贡献。


需注意的主要公式:

电阻的NSD可计算:


等效杂讯频宽(ENB)是产生与所实现的滤波器相同的积分杂讯功率的砖墙滤波器的频宽3。


讯号链模组的ENB计算如下:


·对於单极点系统:


ENB = bandwidth x π / 2


·对於双极点系统:


ENB = 1.22 / 2π x RADC filter(CADC filter + CADC sampling)


·注意:此公式仅适用於该ADC输入RC滤波器和ADC采样RC网路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。


对於具有两个或更多极点的系统,请叁阅表1。杂讯频宽比用於计算ENB 3。


(1.57 = π / 2 )


表1.杂讯频宽比与极数的关系

极数

杂讯频宽比

1

1.57

2

1.22

3

1.16

4

1.13

5

1.11


如图3所示,当将被动滤波器用於讯号滤波器时,以下分析适用。


注意:对於此分析,讯号滤波器中


Rfilter = RG = Rdiver / 2


这样做是为了避免在驱动器级获得增益,因为我们只希??在增益模组中产生增益。另外,Rdiver = RF,如图4所示。


增益模组

增益模组产生的杂讯由滤波器模组滤除,其频宽远低於由ADC驱动器输出RC网路和ADC输入采样网路产生的滤波器的频宽。


ENB = bandwidth x π / 2


noisegain stage = NSD x PGAgain x ??ENB


·NSD值考虑了增益模组的所有噪音源。



图3 : 杂讯分析的原理图部分
图3 : 杂讯分析的原理图部分

图4 : 设定电阻值进行杂讯分析
图4 : 设定电阻值进行杂讯分析

针对讯号滤波器

讯号滤波器或抗混叠滤波器应特别设计,使得讯号连结下来的全差分放大器(FDA)级保持增益为1。这表示要将FDA输入电阻分成两个相等电阻:一个用於被动讯号滤波器,另一个用於FDA的输入端:


Rfilter = RG = Rdriver / 2


滤波器电阻(R_filter)产生的杂讯由滤波器本身滤除,其频宽远低於由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC产生的组合滤波器的频宽。


ENB = bandwidth x π / 2


2与差分方案有关。


针对ADC驱动放大器电阻

放大器电阻(图4中突显的Rdriver和Rdriver / 2)产生的杂讯由讯号链中接下来两个模组中存在的组合滤波器滤除。这是一个二阶滤波器,由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC组成。 这些杂讯会在同一步骤中合并。


针对驱动放大器

放大器驱动器产生的杂讯由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC所产生的组合滤波器滤除。


·二阶滤波器


ENB = 1.22 / 2π x RADC filter(CADC filter + CADC samplingr)


noisedriver amp = NSDdriver x ??9 x ENB[V rms]


·9与放大器杂讯增益有关:


ADC输入RC滤波器

ADC输入RC滤波器网路中的电阻产生的杂讯由ADC输入RC滤波器和ADC采样RC所产生的组合滤波器滤除。


·二阶滤波器


ENB = 1.22 / 2π x RADC filter(CADC filter + CADC samplingr)


noiseADC input RC filter = ??(2 x 4 x k x T x RADC input filter x ENB) [V rms]


·2与差分方案有关。


计算讯号链的杂讯

要将所有杂讯贡献相加,请使用平方和开根号的方法。


杂讯谱密度

考虑ADC采样频率,可以计算杂讯谱密度(NSD)。


重点注意事项

只有在相同频宽上测量,才能将不同元件的NSD直接相加。


讯号滤波器电阻值的选择取决於应用的杂讯要求、讯号链的功耗和所研究的频宽。


摘要表


图5 : 摘要表
图5 : 摘要表

图6 : 差分讯号链的各杂讯源图表
图6 : 差分讯号链的各杂讯源图表

图7 : 范例。
图7 : 范例。
表3:图7示例中不同级的杂讯贡献

增益

Noise增益级 LTC6373

Noise讯号滤波器

Noise驱动放大器电阻

Noise驱动放大器 ADA4945

NoiseADC输入RC滤波器

NoiseADC LTC2387

Noise总计 RSS方法)

0.25

8.30

2.27

61.9

47.6

7.99

45.9

91.3

1

14.8

2.27

61.9

47.6

7.99

45.9

92.2

2

19.3

2.27

61.9

47.6

7.99

45.9

93.0

4

30.1

2.27

61.9

47.6

7.99

45.9

95.8          

8

53.3

2.27

61.9

47.6

7.99

45.9

105         

16

101

2.27

61.9

47.6

7.99

45.9

136


*以上测量的单位全部是μV rms

结论

透过以上步骤,设计者将能够分析和计算所选讯号链的杂讯性能。关於讯号链中不同元组件如何影响杂讯性能,以及如何使杂讯最小化(例如,改变电阻大小、改变元组件或使等效杂讯频宽最小),分析将会提供有用的见解。这样,设计人员就可以创建一份提议,确保讯号链能够存取极小的目标讯号,协助节省时间和金钱。


(本文作者Rose Delaney 和 Pasquale Delizia为ADI 产品行销工程师


)


叁考资料

[1]Alan Walsh。「精密逐次渐进逼近型ADC的基准电压源设计」 。《类比对话》,第47卷第2期,2013年6月。


[2]Alan Walsh 「因应精密SAR类比数位转换器的前端放大器和RC滤波器设计」。类比对话,第46卷第4期,2012年12月。


[3]Tim J. Sobering。「技术笔记1:等效杂讯频宽」 。堪萨斯州立大学。1991年5月。


[4]「教程MT-048:运算放大器杂讯关系:1/f杂讯、RMS杂讯和等效杂讯频宽」。ADI,2009年。


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