4.1 计算ADC系统的总噪声

大家好 欢迎来到 TI ADC高精度实验室

讨论ADC系统的噪声计算

本视频将介绍 如何预测数据转换器

放大器和参考源的整体系统噪声

我们将使用数据手册规格指标

以及SPICE仿真来进行分析

最后 我们将看预测的噪声 与实际测量的噪声结果是否相匹配

在本节中 我们将进行计算

以找出此信号链的总噪声

在这里 放大器 ADC以及参考源

都会产生一些噪声

ADC的噪声由信噪比决定

而放大器和参考源的 噪声通常以电压

有效值V rms 的方式计算或仿真

为了结合所有器件的噪声

我们需要将ADC噪声 转化为电压有效值

即均方根植 第一个公式 是ADC SNR的一般的公式

我们从等式中 求解出ADC的噪声VN ADC

然后我们将所有的ADC放大器

和参考源的噪声 以均方根的形式叠加

得到系统的总噪声

最后 我们还可以把总噪声 转换为信噪比

获取参考源的总积分均方根噪声

的一种方法是进行仿真

要从Tina Spice里实现

首先要选择噪声分析

然后 在弹出窗口里面输入一个

让积分噪声收敛到 最终值的频率范围

对于大多数参考源

输入1M或者更低就足够了

总噪声是参考源 输出的综合均方根噪声

在这个例子里 积分噪声大约为6.31μV rms

这个值可以在 噪声曲线收敛的高频点处读取

对于这个区间 数据手册给出的 在使用20Rµf的典型值

是5μV rms

因此仿真结果 与数据所测的规格相当接近

放大器的噪声 也可以使用Tina Spice仿真

在运行噪声分析之前

我们测试放大器的直流工作点

在这个例子里 我们在放大器输入0.1V的电压

因此这个时候 放大器的输出

应该是输入乘以增益倍数

即0.1V x 11

=1.1V

这个时候 我们选择直流分析

计算节点电压

确认输出为1.1V 电路工作正常

这里最常见的错误是将输入接地

在0V输入的时候 放大器会尝试将输出驱动到地

而这并不是放大器的线性工作状态

噪声仿真需要 放大器处于线性工作区间

以保证结果正确

请注意 要进行噪声分析

就必须将交流电源 连接到运放电路的输入端

该电路的输入源Vin需要 有一个0.1V直流偏执的交流电压源

确认放大器线性工作后 运行分析 噪声分析

在弹出窗口里面输入一个频率范围

使得噪声收敛到一个最终值

通常我们选择放大器带宽的10倍

在这个例子里 放大器的带宽是20M

所以我们尝试100M的最大频率

仿真后 你可以在右侧 看到仿真出来的噪声谱密度

和积分噪声曲线 请注意 积分噪声曲线收敛于

128.78μV

这是我们将在最终噪声 计算中使用的总均方根噪声

如果您不熟悉噪声仿真 可以在TI高精度实验室

运算放大器视频中 了解更多信息

链接位于页面底部

以供参考

这里 我们对信号链总噪声进行计算

首先 我们需要将ADC信噪比 SNR指标转换为均方根噪声电压

计算ADC噪声的公式 需要满量程 的均方根噪声输入电压范围

该ADC的满量程范围是5V

满量程范围对应于峰峰值输入

为了将其转换为均方根值

我们需要除以2并乘以0.707

对于这个例子 均方根输入计算为0.5 x 5V

再 x 0.707 = 1.767V 该器件的数据所测

典型SNR为93dB

我们将所有这些数据带入方程

可以算出 该ADC的总噪声为39.6μV rms

接下来 我们用均方根的方式叠加ADC

放大器和参考源的噪声

在这个例子中 总噪声为134μV rms

最后 如果我们需要SNR形式的总噪声

我们可以把rms的电压值 转换为SNR值

在这个例子中 总的SNR是82.4dB

因此 放大器和参考源的噪声

是的ADC的SNR 从93dB降低到82.4dB

请注意 在这里 参考源的噪声很小

可以忽略不计

在TI高精度实验室的 其他视频中介绍的

模拟工程师计算器里面有一个工具

可以自动进行 上一张幻灯片中的计算

首先输入放大器的均方根噪声

然后输入ADC数据所测里面的信息

最后按确定

系统的总噪声会显示在右侧

请注意 这些数字与 上一张幻灯片中的计算值相匹配

你可以在页面 底部的网址下载此计算器

这里 我们测量 上一张幻灯片中的噪声

测量噪声的一种方法 是查看系统对高精度直流输入信号

产生的直方图 在理想情况下

这个直方图应该 只有一个码字对应输入电压

但是 在实际上

大多数ADC都有对应 输出噪声高斯分布的输出码字

这种分布的标准偏差 等于总均方根噪声

在这个测量实例中

分布的标准偏差 或者Sigma是1.78个码字

我们可以通过 将标准偏差乘以一个LSB的宽度

将其转换为噪声电压

在这个例子中 噪声计算为1.78 x 76.29μV

= 136μV rms

测得的136μV噪声

与上一张幻灯片 134μV的计算结果非常吻合

降低噪声 优化信号链的 一种方法是通过选择低噪声放大器

并且仔细选择元器件

以最小化噪声

但是 一旦信号链优化以后

如果你还想进一步降低系统噪声

那平均就是减少 总噪声的另外一种方法

这里显示了前面 真实测量的噪声例子

对于随机不相关的高斯噪声分布

平均后的总噪声是平均前的总噪声

除以平均数的平方根

此处的计算示例 展示了前面一个例子中

10倍平均的影响

在平均之前的噪声影响1.8个码字

经过10倍平均 即除以根号10以后

噪声只影响0.57个码字

对前面ADC的实测数据

进行十点滑动平均

即算得平均后的 数据标准差了0.59个码字

因此 平均值 对实际测量数据的影响

与计算的噪声 除以根号N的值非常接近

然后 我们用100点的滑动平均

进行类似实验

并且计算与测量的平均值

都相当好的 把噪声降低到0.18个码字

要小心 继续平均噪声

不一定可以实现降噪

平均是基于不相关的高斯分布

某些形式外部噪声 不符合这个标准

此外 平均对噪声的降低会有限制

你不可能把噪声 降低到低于1LSB的位宽

感谢观看本视频 请尝试完成小测验

以巩固你对本视频内容的理解

大家好 欢迎来到 TI ADC高精度实验室

讨论ADC系统的噪声计算

本视频将介绍 如何预测数据转换器

放大器和参考源的整体系统噪声

我们将使用数据手册规格指标

以及SPICE仿真来进行分析

最后 我们将看预测的噪声 与实际测量的噪声结果是否相匹配

在本节中 我们将进行计算

以找出此信号链的总噪声

在这里 放大器 ADC以及参考源

都会产生一些噪声

ADC的噪声由信噪比决定

而放大器和参考源的 噪声通常以电压

有效值V rms 的方式计算或仿真

为了结合所有器件的噪声

我们需要将ADC噪声 转化为电压有效值

即均方根植 第一个公式 是ADC SNR的一般的公式

我们从等式中 求解出ADC的噪声VN ADC

然后我们将所有的ADC放大器

和参考源的噪声 以均方根的形式叠加

得到系统的总噪声

最后 我们还可以把总噪声 转换为信噪比

获取参考源的总积分均方根噪声

的一种方法是进行仿真

要从Tina Spice里实现

首先要选择噪声分析

然后 在弹出窗口里面输入一个

让积分噪声收敛到 最终值的频率范围

对于大多数参考源

输入1M或者更低就足够了

总噪声是参考源 输出的综合均方根噪声

在这个例子里 积分噪声大约为6.31μV rms

这个值可以在 噪声曲线收敛的高频点处读取

对于这个区间 数据手册给出的 在使用20Rµf的典型值

是5μV rms

因此仿真结果 与数据所测的规格相当接近

放大器的噪声 也可以使用Tina Spice仿真

在运行噪声分析之前

我们测试放大器的直流工作点

在这个例子里 我们在放大器输入0.1V的电压

因此这个时候 放大器的输出

应该是输入乘以增益倍数

即0.1V x 11

=1.1V

这个时候 我们选择直流分析

计算节点电压

确认输出为1.1V 电路工作正常

这里最常见的错误是将输入接地

在0V输入的时候 放大器会尝试将输出驱动到地

而这并不是放大器的线性工作状态

噪声仿真需要 放大器处于线性工作区间

以保证结果正确

请注意 要进行噪声分析

就必须将交流电源 连接到运放电路的输入端

该电路的输入源Vin需要 有一个0.1V直流偏执的交流电压源

确认放大器线性工作后 运行分析 噪声分析

在弹出窗口里面输入一个频率范围

使得噪声收敛到一个最终值

通常我们选择放大器带宽的10倍

在这个例子里 放大器的带宽是20M

所以我们尝试100M的最大频率

仿真后 你可以在右侧 看到仿真出来的噪声谱密度

和积分噪声曲线 请注意 积分噪声曲线收敛于

128.78μV

这是我们将在最终噪声 计算中使用的总均方根噪声

如果您不熟悉噪声仿真 可以在TI高精度实验室

运算放大器视频中 了解更多信息

链接位于页面底部

以供参考

这里 我们对信号链总噪声进行计算

首先 我们需要将ADC信噪比 SNR指标转换为均方根噪声电压

计算ADC噪声的公式 需要满量程 的均方根噪声输入电压范围

该ADC的满量程范围是5V

满量程范围对应于峰峰值输入

为了将其转换为均方根值

我们需要除以2并乘以0.707

对于这个例子 均方根输入计算为0.5 x 5V

再 x 0.707 = 1.767V 该器件的数据所测

典型SNR为93dB

我们将所有这些数据带入方程

可以算出 该ADC的总噪声为39.6μV rms

接下来 我们用均方根的方式叠加ADC

放大器和参考源的噪声

在这个例子中 总噪声为134μV rms

最后 如果我们需要SNR形式的总噪声

我们可以把rms的电压值 转换为SNR值

在这个例子中 总的SNR是82.4dB

因此 放大器和参考源的噪声

是的ADC的SNR 从93dB降低到82.4dB

请注意 在这里 参考源的噪声很小

可以忽略不计

在TI高精度实验室的 其他视频中介绍的

模拟工程师计算器里面有一个工具

可以自动进行 上一张幻灯片中的计算

首先输入放大器的均方根噪声

然后输入ADC数据所测里面的信息

最后按确定

系统的总噪声会显示在右侧

请注意 这些数字与 上一张幻灯片中的计算值相匹配

你可以在页面 底部的网址下载此计算器

这里 我们测量 上一张幻灯片中的噪声

测量噪声的一种方法 是查看系统对高精度直流输入信号

产生的直方图 在理想情况下

这个直方图应该 只有一个码字对应输入电压

但是 在实际上

大多数ADC都有对应 输出噪声高斯分布的输出码字

这种分布的标准偏差 等于总均方根噪声

在这个测量实例中

分布的标准偏差 或者Sigma是1.78个码字

我们可以通过 将标准偏差乘以一个LSB的宽度

将其转换为噪声电压

在这个例子中 噪声计算为1.78 x 76.29μV

= 136μV rms

测得的136μV噪声

与上一张幻灯片 134μV的计算结果非常吻合

降低噪声 优化信号链的 一种方法是通过选择低噪声放大器

并且仔细选择元器件

以最小化噪声

但是 一旦信号链优化以后

如果你还想进一步降低系统噪声

那平均就是减少 总噪声的另外一种方法

这里显示了前面 真实测量的噪声例子

对于随机不相关的高斯噪声分布

平均后的总噪声是平均前的总噪声

除以平均数的平方根

此处的计算示例 展示了前面一个例子中

10倍平均的影响

在平均之前的噪声影响1.8个码字

经过10倍平均 即除以根号10以后

噪声只影响0.57个码字

对前面ADC的实测数据

进行十点滑动平均

即算得平均后的 数据标准差了0.59个码字

因此 平均值 对实际测量数据的影响

与计算的噪声 除以根号N的值非常接近

然后 我们用100点的滑动平均

进行类似实验

并且计算与测量的平均值

都相当好的 把噪声降低到0.18个码字

要小心 继续平均噪声

不一定可以实现降噪

平均是基于不相关的高斯分布

某些形式外部噪声 不符合这个标准

此外 平均对噪声的降低会有限制

你不可能把噪声 降低到低于1LSB的位宽

感谢观看本视频 请尝试完成小测验

以巩固你对本视频内容的理解