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为实现正确信号调理的噪声计算

发布时间:2020-08-05 来源:Reza Moghimi 责任编辑:wenwei

【导读】高精度应用需要精心设计的低噪声模拟前端来获得最佳信噪比(SNR),这就要求采用明智的方法来选择ADC以全面准确地捕捉传感器信号。还要选用驱动运算放大器和基准电压源等支持器件来优化电路性能。
 
振动、温度、压力和光等现实世界的信号需要精 确的信号调理和信号转换,才能在数字域中进 行进一步数据处理。为了克服高精度应用的多 种挑战,需要一个精心设计的低噪声模拟前端来实现最佳 信噪比(SNR)。但许多系统既负担不起最昂贵的器件,也 无法承受低噪声器件的更高功耗。本文解决有关利用噪声 优化方法来设计完整解决方案的问题。本文提出了一种系 统的方法来设计增益模块和ADC组合,并给出一个实例供 大家参考。以调理低频(接近直流)信号为例,对该电路进 行噪声计算和分析。
 
设计模拟前端时,请遵循以下七个步骤:
 
1. 描述传感器或增益模块前端的电气输出。
2. 计算ADC的需求。
3. 为信号转换找到最佳ADC + 基准电压。
4. 为运算放大器找到最大增益并定义搜索条件。
5. 找到最佳放大器并设计增益模块。
6. 根据设计目标检查解决方案总噪声。
7. 运行仿真并验证。
 
第1步:描述传感器或增益模块前端的电气输出
 
信号可能直接来源于传感器,也可能在到达增益模块之前 经过EMI和RFI滤波器。为了设计增益模块,必须知道信号 的交流和直流特性以及可用的电源。知道了信号的特性和 噪声电平后,我们就能知道选择ADC时需要何种输入电 压范围和噪声电平。假设有一个传感器,以250 mV p-p (88.2 mV rms)和25 V p-p噪声的满量程幅度输出一个10 kHz 信号。进一步假设系统中有一个可用的5 V电源。有了这些 信息,我们应该能计算出第2步中的ADC输入端的信噪 比。为简化数据处理和避免混淆,假设我们将该解决方案 设计为在室温下工作。
 
第2步:计算ADC的需求
 
我们需要何种ADC、采样速率如何、多少位、噪声指标如 何?若从第一步知道了输入信号幅度以及噪声信息,我们 就能计算出增益模块输入端的信噪比(SNR)。我们需要选 择一个有较高信噪比的ADC。在选择ADC时,知道SNR将 有助于我们计算有效位数(ENOB)。此关系表达式如下。好 的ADC数据手册总会标出SNR和ENOB。此例中所需要的 86.8 dB SNR和14.2位ENOB决定了我们应选择一个16位的模 数转换器。此外,奈奎斯特准则要求采样率(fs)应至少两 倍于最大输入频率(n),因此一个20 kSPS ADC应该就已 足够。
 
下一步我们需要设计总体解决方案,使得噪声密度不超过 416 nV/√Hz。这就把信号调理电路的噪声确定为输入噪声 的1/10。
 
为实现正确信号调理的噪声计算
 
为实现正确信号调理的噪声计算
图1. 典型信号调理链
 
第3步:为信号转换找到最佳ADC + 基准电压
 
有了一系列的搜索条件,我们就有许多种方法找到合适的 ADC。要找到一个16位ADC,最简单的方法之一就是使用 厂商网站上的搜索工具。输入分辨率与采样速率,就可找 到许多推荐的ADC。
 
许多16位的ADC满足14.5位ENOB需求。如果您想得到更 佳的噪声性能,可使用过采样迫使ENOB达到16位(由4n过 采样得到n位增强)。通过过采样,您可以使用较低分辨率 的ADC:256过采样的12位ADC(44过采样)可得到16位噪声 性能。在我们的例子中,这意味着5.126 MHz采样率的12位ADC(20 kSPS × 256),或是42过采样的14位ADC;若1.28 MSPS 则更佳。然而这些选择的成本却和AD7685(16位、250 kSPS ADC)相当 。
 
从列表中我们选择了AD7685(16位 PulSAR® ADC ADC)。该转换 器具有90 dB SNR和250 kSPS采样率,符合我们的需要。此 ADC推荐搭配使用ADR421/ADR431精密XFET®基准电 压源。2.5 V的输入范围超过了我们需要的250 mV p-p输入 特性
 
为实现正确信号调理的噪声计算
 
为实现正确信号调理的噪声计算
图2. 典型的ADC选型表
 
AD7685基准输入具有动态输入阻抗,因此需进行去耦以使 寄生电感最小(方法是在引脚附近放置一个陶瓷去耦电容, 并用较宽的低阻抗走线进行连接)。一个22 F陶瓷芯片电 容可提供最佳性能。
 
第4步:为运算放大器找到最大增益并定义搜索条件
 
有了ADC的输入电压范围将有助于我们设计增益模块。为 了最大化动态范围,我们需要在给定的输入信号和ADC输 入范围内选取尽可能高的增益。这意味着我们可以将该例 子中的增益模块设计成具有10倍的增益。
 
为实现正确信号调理的噪声计算
 
虽然AD7685很容易驱动,但驱动放大器需要满足某些要 求。例如,为保持AD7685的SNR和转换噪声性能,驱动放 大器产生的噪声必须尽可能低,但要注意增益模块可同时 放大信号和噪声。若要使得噪声在增益模块前后都保持不 变,我们需要选择具有更低噪声值的放大器和相关元件。 此外,驱动器的THD性能应与AD7685相当,并且必须使 ADC电容阵列以16位水平(0.0015%)建立满量程阶跃。来自 放大器的噪声可使用外部滤波器进一步过滤。
 
运算放大器的输入端允许多大的噪声?牢记我们设计的总 体解决方案的噪声密度不超过416 nV/rt-Hz。我们设计的 增益模块应具有更低的本底噪声,系数为10,因为我们的 增益为10。这将确保来自放大器的噪声远低于传感器的本 底噪声。计算噪声裕量时,我们可假设运算放大器输入端 的噪声大致等于运算放大器的总噪声加上ADC的噪声。
 
为实现正确信号调理的噪声计算
 
第5步:找到最佳放大器并设计增益模块
 
知道了输入信号带宽后,运算放大器选型的第一步是选择 一个具有合理的增益带宽积(GBWP)的运算放大器,并且 该放大器可以最小的直流和交流误差处理该信号。为得到 最佳的增益带宽积,需要知道信号带宽、噪声增益以及增 益误差。下面给出这些术语的定义。一般而言,若想保持 增益误差小于0.1%,推荐选用增益带宽比输入信号带宽大 100倍的放大器。另外,我们需要一个可快速建立且驱动 能力良好的放大器。注意,我们的噪声预算要求运算放大器输入端的总噪声低于40.8 nV/√Hz,而ADC规定的指标为7.9 nV/√Hz。总结运算放大器的查找条件如下:UGBW > 1 MHz、5 V单电源、良好的电压噪声、电流噪声、THD特 性、低直流误差(不降低ADC性能)。
 
为实现正确信号调理的噪声计算
 
搜索ADC时采用相似的查找方法, 本例我们选择AD8641。AD8641为低功耗、精密JFET输入放大器,具有 极低的输入偏置电流和轨到轨输出特性,可在5 V至26 V电 源下工作。相关数据在下表中列出。我们可采用表中的元 件值对运算放大器进行同相配置。
 
表1. 图3 所示完整解决方案 的元件值
为实现正确信号调理的噪声计算
 
为实现正确信号调理的噪声计算
图3. 完整的解决方案
 
所有有源和无源元件都各自产生噪声,因此选择不降低性 能的元件尤其重要。例如,购买一个低噪声运算放大器并 在其周围放置大电阻就是一种浪费。牢记一个1 kΩ的电阻 器可产生4 nV的噪声。
 
如前所述,可考虑在ADC和该增益模块之间使用一个RC 滤波器,这样应该有助于缩小带宽并优化SNR。
 
第6步:根据设计目标检查解决方案总噪声
 
充分了解所设计电路中的各种误差源是极其重要的。为了 获得最佳SNR,我们需要写出前述方案的总噪声方程。方 程如下式所示。
 
为实现正确信号调理的噪声计算
 
我们可算出运算放大器输入端的总噪声,并确保其低于41.6 nV/√Hz,一如我们所预期的那样。
 
为实现正确信号调理的噪声计算
 
为了在整个带宽上对总噪声进行积分,我们可看到在滤波 器带宽上的ADC输入端的总噪声是3.05 μV,低于设计所需 的4.16 μV。由于AD8641的转折频率低于100 Hz,故此例中 的低频噪声(1/f)可忽略不计。
 
为实现正确信号调理的噪声计算
 
保持良好的信噪比需要关注信号路径中每一处细节的噪 声,并有良好的PCB布局。避免在任何ADC下方布设数字 线路,否则会将噪声耦合至芯片管芯,除非在ADC下方铺 一个接地层用作屏蔽。诸如CNV或时钟之类的快速开关信 号不应靠近模拟信号路径。应避免数字信号与模拟信号 交叠。
 
第7步:运行仿真并验证
 
刚开始验证电路设计时,使用PSpice宏模型(可从ADI网站 下载)比较合适。快速仿真显示出我们为解决方案所设计的 信号带宽。图4显示了位于AD7685输入端可选RC滤波器之 前和之后的响应。
 
为实现正确信号调理的噪声计算
图4. 图3所示电路的带宽仿真
 
如图5所示,10 kHz带宽上的总输出噪声接近31 μV rms, 略低于41 μV rms的设计目标。在量产之前需要制作原型并 验证整套解决方案。
 
为实现正确信号调理的噪声计算
图5. 图3电路的噪声响应仿真
 
总结
 
如今许多设计要求低功耗、低成本,而许多系统既负担不 起最昂贵的器件,也无法承受低噪声器件的更高功耗。为 了从信号调理电路得到最低的本底噪声和最佳性能,设计 者必须了解元件级别的噪声源。保持良好的信噪比需要关 注信号路径每一处细节的噪声。通过遵循以上步骤,便 可成功调理小型模拟信号,并使用超高分辨率ADC将其 转换。
 
参考电路
 
1. 应用笔记AN-202,IC放大器用户指南:去耦、接地及 其他一些要点。ADI公司。
 
2. 应用笔记AN-347, 如何排除干扰型噪声——方法及原 理:一种理性方法。ADI公司。
 
3. Barrow, J和A. Paul Brokaw。1989.“低频和高频电路接 地”,Analog Dialogue。 (23-3) ADI公司。
 
4.研讨会:传感器信号调理电路中的噪声优化(第一部分)。
 
5. 研讨会:传感器信号调理电路中的噪声优化(第二部分)。
 
 
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