精密数据采集信号链的噪声分析

在很多应用中，模拟前端接收单端或差分信号，并执行所需的 增益或衰减、抗混叠滤波及电平转换，之后在满量程电平下驱 动ADC输入端。今天我们探讨下精密数据采集信号链的噪声分析，并深入研究这种信号链的总噪声贡献。
 
如图1所示，低功耗、低噪声、全差分放大器ADA4940-1驱动差 分输入、18位、1 MSPS PulSAR® ADC AD7982，同时低噪声精密5 V 基准电压源ADR435用来提供ADC所需的5 V电源。此信号链无需 额外驱动器级和基准电压缓冲器，简化了模拟信号调理，可节 省电路板空间和成本。一个单极点截止频率2.7 MHz RC(22 Ω， 2.7 nF)低通滤波器放在ADC驱动器输出和ADC输入之间，有助于 限制ADC输入端噪声，并减少来自逐次逼近型(SAR) ADC输入端 容性DAC的反冲。

图1. 低功耗全差分18位1 MSPS数据采集信号链（简化示意图：未显示所有连接和去耦）。

ADA4940-1用作ADC驱动器时，用户可以进行必要的信号调理， 包括对信号实施电平转换和衰减或放大，以便使用四个电阻实 现更大动态范围，从而不再需要额外的驱动器级。采用反馈电 阻(R2 = R4)对增益电阻(R1 = R3)之比设置增益，其中R1 = R2 = R3 = R4 = 1 kΩ。 
 
对于平衡差分输入信号，等效输入阻抗为2×增益电阻(R1或R3) = 2 kΩ，对于非平衡(单端)输入信号，等效阻抗根据下式计算， 约为1.33 kΩ。
 

 
如果需要可以在输入端并联一个终端电阻。ADA4940-1内部共模反馈环路强制共模输出电压等于施加到VOCM输入的电压，同时提供出色的输出平衡。当两个反馈系数（β1 和β2）不相等时，差分输出电压取决于VOCM；此时，输出幅度 或相位的任何不平衡都会在输出端产生不良共模成分，导致差 分输出中有冗余噪声和失调。因此，在这种情况下（即，β1 = β2），输入源阻抗和R1 (R3)的组合应等于1 kΩ，以避免各输出 信号的共模电压失配，并防止ADA4940-1的共模噪声增加。
 
信号在印刷电路板(PCB)的走线以及长电缆中传输时，系统噪声 会叠加到信号中，差分输入ADC会抑制信号噪声，并表现为一 个共模电压。这款18位1 MSPS数据采集系统的预期信噪比(SNR)理论值可通 过每个噪声源（ADA4940-1、ADR435和AD7982）的和方根(RSS) 计算得到。
 
ADA4940-1在100 kHz时的低噪声性能典型值为3.9 nV/√Hz，如图2 所示。

图2. ADA4940输入电压噪声频谱密度和频率的关系。

必须计算差分放大器的噪声增益，以便找到等效输出噪声贡献。差分放大器的噪声增益为：
 

 
其中

 
以及
 

是两个反馈系数。
 
应当考虑下列差分放大器噪声源： 
 
由于ADA4940-1输入电压噪声为3.9 nV/√Hz，其差分输出噪声应 当为7.8 nV/√Hz。ADA4940-1数据手册中的共模输入电压噪声 (eOCM)为83 nV/√Hz，因此其输出噪声为
 

 
给定带宽条件下，R1、R2、R3和R4电阻噪声可根据约翰逊-奈奎斯特 噪声方程计算：
 

 
其中kB是玻尔兹曼常数(1.38065 × 10 – 23 J/K)，T为电阻绝对温度 （开尔文），而R为电阻值(Ω)。来自反馈电阻的噪声为：
 

 
来自R1的噪声为：
 

 
来自R3的噪声为：
 

 
ADA4940-1数据手册中的电流噪声为0.81 pA/√Hz。 
 
反相输入电压噪声:

 
同相输入电压噪声：
 

 
因此，来自ADA4940的等效输出噪声贡献为：
 

 
（RC滤波器之后）的ADC输入端总积分噪声为：
 

 
AD7982的均方根噪声可根据5 V基准电压源情况下的典型信噪比 (SNR, 98 dB)计算得到。
 

 
根据这些数据，ADC驱动器和ADC的总噪声贡献为
 

 
注意，本例中忽略来自ADR435基准电压源的噪声贡献，因为它 非常小。
 
因此，数据采集系统的理论SNR可根据下式近似计算
 

图3. FFT曲线图，fIN = 1 kHz，FS = 1 MSPS (将ADA4940-1配置成全差分 驱动器)。

AD7982在1 kHz输入信号时，SNR典型值为96.67 dB，THD典型值 为–111.03 dB，如图3中的FFT性能所示。这种情况下测得的SNR 为96.67 dB，非常接近上文中的96.95 dB SNR理论估算值。数据 手册中98 dB的目标SNR的实际损耗由来自ADA4940-1差分放大器 电路的等效输出噪声贡献所导致。 
 
所以，针对给定应用选择ADC驱动器以驱动SAR ADC时，噪声是一个重要规格，但详细查阅带宽、建立时间、输入和输出上裕量/下裕量以及功耗要求也很重要哦~