解析信號第8部分：參考電壓噪聲對Delta-Sigma模數轉換器的影響

解析信號系列的第8部分進一步深入研究了不同的噪聲源如何通過關注基準噪聲和ADC噪聲來影響delta-sigma-ADC的精度，以及增益如何影響參考噪聲。

假設您需要設計一個高分辨率的傳感器測量系統，例如一個精確的溫度傳感單元來控制工業烤箱。為了實現這一點，你在烤箱中安裝一個熱電偶來測量溫度，把熱電偶引線連接到測量系統上，然后模數轉換器（ADC）輸出一個數字代碼。如何確定代碼對應的實際溫度？

在模擬電路設計中，使用參考電壓作為進行模擬測量的基準。在本例中，參考電壓的標稱值決定了輸出代碼，該代碼與特定溫度相關。如果改變參考電壓，輸出代碼也會按比例縮放，而測量的溫度將保持不變。

由于輸出代碼與參考電壓值直接相關，因此噪聲或不準確的參考電壓會產生同樣不可靠的測量值。因此，對于高分辨率系統，選擇合適的參考電壓和選擇一個高精度的ADC同樣重要。

為了進一步了解不同的噪聲源如何影響精度delta-sigma-adc，我將在本期“解析信號”系列文章中討論與電壓參考噪聲相關的以下主題：

• 參考噪聲和ADC噪聲

• 增益如何影響參考噪聲

在第9部分中，我將從第8部分中獲取觀察結果，并定義幾種減少參考噪聲的方法。我還將研究參考噪聲如何影響低分辨率和高分辨率adc。

在本系列的第2部分，我討論了用于表征ADC噪聲的兩種不同類型的測量：正弦波輸入和輸入短路。正弦波輸入，顧名思義，輸入一個特定振幅和頻率的正弦波，以表征ADC如何量化該信號。相反，輸入短路法通過縮短器件的輸入并測量由于熱噪聲而導致的輸出代碼的微小變化來確定ADC在DC下的性能。圖1說明了這些類型的噪聲測量。

圖1正弦波輸入測試裝置（左）；輸入短測試設置（右）

ADC的輸出代碼與ADC輸入信號振幅（VIN）除以ADC參考電壓（VREF）成比例，如等式1所示：

當我們使用非零輸入信號來描述ADC時（正弦波輸入法就是這樣），結果輸出代碼包含一些參考噪聲。雖然目的只是描述ADC噪聲，但該參考噪聲總是成為ADC數據表中報告的噪聲參數的一部分，包括信噪比（SNR）和信噪比與失真（SINAD）。

因此，使用一個類似于ADC測試設置的系統，可以使ADC的噪聲性能達到與正弦波輸入法的設備的數據表中報告的性能相當。

相比之下，輸入短路法使用0V輸入信號來測量沒有信號時ADC輸出代碼的波動。在這種情況下，在輸出端看不到參考噪聲，因為方程式1中的比率始終等于0。輸入短路法定義了ADC的絕對分辨率極限，因為您無法可靠地測量小于ADC固有噪聲的輸入。由于輸入短路，數據表噪聲參數，如輸入參考噪聲和有效分辨率不包括參考噪聲的影響。如果你想用這種類型的ADC測量非零輸入信號，你應該期望先前看不到的參考電壓噪聲會使輸出處的總噪聲增加，超過ADC數據表中的規定。

為了確定參考電壓增加了多少噪聲，圖2顯示了ADC噪聲、參考噪聲和組合噪聲之間的關系，它們是使用滿標度范圍（FSR）的函數（利用率百分比）。圖2以及隨后的討論適用于ADC噪聲小于參考噪聲（NADC<NREF）的情況。如果情況正好相反（NADC>NREF），則由于ADC噪聲相對較高，較低的噪聲參考電壓幾乎沒有任何益處。

圖2ADC噪聲（藍色條形圖）、參考噪聲（紅色條形圖）和組合ADC加參考噪聲（綠線）作為FSR正利用率的函數

圖2有三個要點：

這一點是輸入電壓為0V時的總噪聲。由于A點使用與定義輸入短噪聲測量測試相同的條件，因此可以直接從ADC的數據表中讀取。

這是輸入電壓等于參考電壓時的總噪聲，即滿標度讀數。通常，取參考噪聲和ADC噪聲的平方根（RSS）來確定點B。然而，當參考噪聲遠大于ADC噪聲時（如圖2所示），可將B點近似為參考噪聲。無論哪種方式，您通常無法直接從數據表中讀取參考電壓噪聲的值，因為它取決于包括參考電壓的噪聲特性在內的多個因素。圖3顯示了德州儀器的輸出噪聲譜密度參考文獻6025，一個2.5V精密電壓基準。

圖3 REF6025的輸出噪聲譜密度圖

在圖3中，注意低頻（1/f噪聲）下的噪聲密度與較高頻率下相對平坦的噪聲密度（寬帶噪聲）相比顯著增加。就像在本系列的第7部分，參考噪聲性能不一定是恒定的。

幸運的是，您可以使用與計算放大器噪聲相同的方法來計算參考噪聲，包括直接積分或簡化公式. 您還需要計算系統的有效噪聲帶寬（ENBW）才能使用這些方法，因為ENBW為進入系統的參考噪聲提供了截止頻率。

該點是點A和點B的極值之間的任何一般噪聲值。可以使用方程式2計算點C：

在方程式2中，B點根據FSR的利用率進行縮放。一般來說，您可以使用方程式2來確定圖2中曲線圖上任意點的總噪聲，包括點A和點B。

等式2的一個重要結果是，給定NADC<NREF的條件，存在一個參考噪聲占主導地位的點，無論利用率如何。在這一點上，增加信號幅度不會帶來噪聲性能方面的好處，這與獲取輸入信號總是減少噪聲的普遍觀點相矛盾。

相反，您需要平衡增加增益和FSR利用率，以確保滿足系統噪聲要求。讓我們用一個例子來研究增益和參考噪聲之間的關系。

對于本例，讓我們繼續使用圖3中所示的REF6025，并將其與ADS1261，一個24位delta-sigma模數轉換器。該器件提供低噪聲和集成可編程增益放大器（PGA），這兩種技術都將使參考噪聲與增益的關系更加明顯。盡管有這些選擇，您可以將此分析應用于adc和電壓參考的任何組合。圖4顯示了這個例子的系統設置。

圖4 使用ADS1261和REF6025進行系統設置

類似于放大器噪聲分析本系列的第6部分，您可以將圖4中的組件分離為“無噪聲”設備，其前面有一個與每個組件的噪聲等效的電壓源。ADC噪聲（VN，ADC）可直接從ADS1261的數據表中讀取，而您必須使用REF6025數據表和系統ENBW計算電壓參考噪聲（VN，REF）。幸運的是，您可以使用我在中詳述的近似方法本系列的第5部分確定系統ENBW。在這種情況下，使用每秒60個采樣數（SPS）輸出數據速率（ODR）和ADS1261的低延遲濾波器，ENBW為13Hz。使用REF6025可產生約1.2μVRMS的噪聲。

最后，您需要選擇一個允許您使用所有可用ADC增益選項的輸入信號。使用ADS1261的最大增益128V/V，使用2.5V參考電壓，可以實現±19.5mV的最大差分輸入電壓。表1總結了系統規范。

表1.ADS1261-plus-REF6025示例的系統規范

現在，您可以將每個組件的噪聲繪制為ADS1261 PGA增益的函數，以查看增益如何影響ADC和參考噪聲。您還可以計算系統在每個步驟的有效分辨率，以了解引入參考噪聲如何影響系統的動態范圍。注意，這里的“有效分辨率”是使用19.5mV信號計算的，而不是ADC數據表中常見的每個增益設置處可能的最大FSR。圖5顯示了ADS1261的繪圖。

圖5 ADS1261噪聲、參考噪聲和有效分辨率與增益的關系

圖5顯示，即使使用100%正滿標度范圍，與ADC噪聲相比，參考噪聲幾乎可以忽略不計。因此，由于輸入電壓非常小，因此改變增益對輸入系統的參考噪聲量沒有影響，但是通過降低ADC噪聲（如預期）降低了總噪聲。

有趣的是，圖2和圖5都有一個有用的FSR利用極限（放大器噪聲分析就是這樣）。從系統噪聲的角度來看，增加輸入信號超過這一點沒有任何好處。在圖2中，這是在40%的利用率下發生的。在圖5中，當有效分辨率曲線開始變平時，這個限制開始于大約32V/V的增益。

（這些限制特定于輸入電壓、噪聲帶寬、ADC和參考組合。不同的組合改變了這種系統限制，因此必須計算出該點在任何系統中的位置，以避免降低噪聲性能。）

此外，圖2和圖5說明了將ADC噪聲與參考電壓噪聲相匹配的重要性（因為它們與電路參數有關）。如果您的輸入信號很小并且無法更改，那么增加您的輸入信號可以減少ADC噪聲，從而降低整個系統的噪聲。因此，您也可以使用噪聲更大的引用，因為實際上很少有參考噪聲傳遞到系統中。

相比之下，如果你的輸入信號大于中尺度，你可以預期參考噪聲占主導地位。在這些情況下，應始終確保ADC噪聲和參考噪聲具有可比性。否則，您將支付電壓參考性能，您不能實際使用。幸運的是，有多種方法可以減少參考噪聲的影響并保持精確的系統。閱讀第9部分了解更多信息。

以下是一些要點的總結，有助于更好地理解電壓基準噪聲如何影響delta-sigma-adc：

• 參考電壓對系統噪聲的貢獻隨FSR利用率而變化。

• 參考噪聲可以有1/f和類似于放大器的寬帶區域。

• 系統中的參考噪聲會導致有用的FSR利用極限，在此之后，噪聲性能無法通過信號增益得到進一步改善。

• 盡量使參考源的噪聲幅度與ADC的噪聲性能相匹配，以避免非零輸入信號降低分辨率。