Rob Reeder,ADI(美國北卡羅來納州格林斯博羅)工業(yè)與儀器儀表部門高級系統(tǒng)應(yīng)用工程師,負(fù)責(zé)防務(wù)和航空航天應(yīng)用,發(fā)表了大量有關(guān)各種應(yīng)用的轉(zhuǎn)換器接口、轉(zhuǎn)換器測試和模擬信號鏈設(shè)計的論文。
Rob曾在高速轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線上擔(dān)任應(yīng)用工程師8年之久,他撰寫的《淺談轉(zhuǎn)換器的噪聲》從兩個方面來談轉(zhuǎn)換器的噪聲。分享在這里,共壇子里的俠士們參考、學(xué)習(xí)~
從模數(shù)轉(zhuǎn)換器的角度來看,噪聲系數(shù)是不是很重要?
從轉(zhuǎn)換器的角度來看,噪聲指數(shù)(NF)和信噪比(SNR)是可以互換的。噪聲指數(shù)讓您對噪聲密度有很好的理解, 而信噪比是衡量有關(guān)頻帶內(nèi)總噪聲的大小。 下面 ,讓我們詳細(xì)的討論下噪聲指數(shù),一些折衷做法可能會導(dǎo)致人們的誤解,而且 低噪聲指數(shù)并不總是意味著轉(zhuǎn)換器有較低的前端噪聲。
當(dāng)我們需要了解級聯(lián)信號鏈系統(tǒng)中噪聲對設(shè)計的動態(tài)影響時,往往會用到噪 聲指數(shù)(NF)。請記住,當(dāng)源電阻增加到原來的四倍時,噪聲指數(shù)將改善6 dB,但同時,隨著電阻的增加,相應(yīng)地也增加了進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的熱噪聲。當(dāng)源電阻增大, 或是加到轉(zhuǎn)換器的模擬前端(變壓器、放大器或其它)的輸入信號達(dá)到滿量程一半時, 在感興趣的帶寬內(nèi)的噪聲就越難于處理,從而最終惡化轉(zhuǎn)換器的性能。
為什么會這樣呢?
如果變壓器或放大器的滿量程輸入信號降低,那么就需要增加增益,這在理論上也很好理解,相比于放大器,變壓器更依賴于增益帶寬積這個指標(biāo)。因此,舉例來說,使用高阻抗比變壓器可將噪聲指數(shù)優(yōu)化到盡可能低,但靠它來實(shí)現(xiàn)100MHz及更高頻率常見高中頻應(yīng)用,卻非常困難。
放大器的問題也類似:隨著增益的提高,放大器不僅放大了信號,而且放大了自身固有的噪聲,因而會迅速劣化轉(zhuǎn)換器的性能。為了保證性能,需要使用更復(fù)雜(更高階)的抗混疊濾波器,而這樣的濾波器將包含很多阻性和“有損耗”元件。
其實(shí),在設(shè)計前端時需要時刻注意噪聲頻譜密度(NSD)。噪聲頻譜密度的單位通常是nV/rt-Hz,對轉(zhuǎn)換器來說這才是真正重要的一個指標(biāo),因?yàn)樵跀?shù)字域中這一個指標(biāo)會被報告和反復(fù)揣摩,以將信號差分化并最終從頻帶內(nèi)“挑選出”感興趣信號 。
總之,要確保正確的分配增益,使整個信號鏈上所有的輸入輸出滿量程信號達(dá)到最大。衰減、填充或阻抗在信號鏈中并不是好的噪聲指數(shù)折衷方式,因?yàn)殡娮璧拇嬖跁速M(fèi)功率和增加噪聲。后續(xù)第二部分將討論電阻噪聲和轉(zhuǎn)換器噪聲之間的比較。
ADC的噪聲指數(shù)公式:NF = Pfs(dBm)+ 174dBm – SNR – 10*log (BW),其中Pfs=所用輸入網(wǎng)絡(luò)的滿量程功率。與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的噪聲相比,電阻噪聲怎么樣?
在上一部分我們討論了噪聲指數(shù)(NF),并談到了噪聲頻譜密度(NSD)的重要性,下面闡述一下原因。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器的總噪聲頻譜密度性能實(shí)際上反映為一系列參數(shù),如熱噪聲、抖動以及量化噪聲——也就是特定帶寬(BW)上的信噪比(SNR)。在設(shè)計人員試圖理 解被采樣信號中的轉(zhuǎn)換器最低可分辨“步進(jìn)”時,轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊中給出的信噪比可以給他們提供現(xiàn)實(shí)的期望值。這個步進(jìn)也被稱為最低有效位或LSB。
對于一個 已知滿量程輸入的N位轉(zhuǎn)換器,可以用下面的公式計算出信噪比和最低有效位大小,即SNR=20*log(Vsignal-rms / Vnoise-rms),和LSB =(Vrms︱Fullscale/(2^N))。
通過重新整理這個公式可以得出轉(zhuǎn)換器的噪聲Vnoise-rms =Vsignal-rms*10^-SNR/20。因此,對于一個80MSPS、SNR=80dB、輸入滿量程電壓為2Vpp的典型16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器來 說,其噪聲Vnoiserms = 70.7uVrms,或LSB值為10.8uVrms。
下面讓我們看一下電阻噪聲。
電阻噪聲被定義為Vresn=sqrt(4*k*T*B W*阻值),因此一個1kΩ的電阻在1Hz帶寬內(nèi)將增加約4nV的噪聲。公式中的T為開爾文溫度(室溫 = 290K),BW是帶寬,k是波爾茨曼常數(shù)(1.38x10E- 23 瓦/秒/K)。對于轉(zhuǎn)換器的電阻噪聲,看起來似乎不必過于擔(dān)心,但實(shí)際上千萬不要被表象所迷惑。
讓我們繼續(xù)討論如何降低噪聲指數(shù)以便提高靈敏度。
我們可以在轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計中增加增益和電阻來達(dá)到這一目的。在無源前端情況下,輸入滿量程降低2倍,意味著噪聲指數(shù)將下降6dB。不過,還要考慮非相關(guān)的電阻噪聲。
例如,在40MHz帶寬內(nèi),一個50Ω的源電阻意味著電阻噪聲有7.2uV。請注意:在單極點(diǎn)系統(tǒng)中,噪聲帶寬比信號帶寬大1.57倍,這個50歐姆的電 阻帶來的熱噪聲對系統(tǒng)的信噪比的惡化不會超過0.1dB,即,Vnoise-rms=sqrt(7.2uV^2 + 70.7uV^2)=71uVrms。這個幅度不是太大,但我們還沒有把系統(tǒng)中的增益考慮進(jìn)去。當(dāng)信號鏈中的增益為2時,一個50Ω的電阻引起的噪聲相當(dāng) 于14.4uVrms,而相反的負(fù)載側(cè)的200Ω終端電阻噪聲將額外增加14.4uVrms。在這兩個非相關(guān)的噪聲源和的平方根(RSS)共同作用下,總 噪聲將達(dá)20.3uVrms,相當(dāng)于2個LSB!
這里的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)換器噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻噪聲項(xiàng),即使轉(zhuǎn)換器前有一些增益也是如此。然而,隨著在整個信號鏈中使用更大的電阻和增益,總噪聲將很容易使信噪比變差(LSB=1位=6dB)。因此,在信號鏈中分配增益一定要小心,因?yàn)楦鞣N負(fù)面因素的效應(yīng)會很快疊加。
讀完以上內(nèi)容,是不是對轉(zhuǎn)換器的噪聲有了更深層次的理解呢?歡迎跟帖發(fā)表討論,分享自己在轉(zhuǎn)換器噪聲上的經(jīng)驗(yàn)。
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原文標(biāo)題:不愧是大牛,關(guān)于轉(zhuǎn)換器的噪聲都講全了~建議看看!
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