放大器噪声分析与ADC相关参数理解

1、一 关于PGA的增益与噪声的关系：图1 INA128频谱密度曲线对于上图1中的频谱密度，并错误地认为输出噪声会随着增益变化下降。输出噪声将随着增益的提高而一直增加。因此正确的结论是输入级和输出级在低增益时都会引起噪声，但在高增益时输入级是带来噪声的主要原因。由于在高增益时噪声问题通常会引起人们的注意，因此集成电路设计人员针对低噪声优化了输入级。这与低输出噪声级时的重要程度不一样，因为输入级通常是主要原因。IC设计人员不会优化输出级噪声性能来保持放大器的静态电流尽可能地低。表1 INA333噪声分析表1 说明了输入级噪声如何在高增益时成为主要噪声。下式为仪表放大器的噪声计算公式：RTO=G*RT

2、I例如，AD620A 的噪声典型值规定为 eni9 nV/Hz 和 eno 72 nV/Hz。因此，AD620A 工作在增益为10 条件下的RTI 总噪声计算如下：二 ADC峰峰值分辨率与有效分辨率大多数应用不希望在系统输出时看到码闪烁。例如，对于电子秤应用，无闪烁位数很重要。可以将ADC产生的数字字截断，使得在电子秤监视器上看不到闪烁位。无噪声分辨率或峰峰值分辨率是根据数据手册给出的噪声值计算出的。首先计算信噪比(SNR)：SNR = 20log(噪声/满量程输入)ADI公司一般规定使用峰峰值分辨率或无噪声码分辨率，这是使用峰值噪声（等于均方根噪声的6.6倍）计算SNR而获得的。从信噪比计算

3、中可以确定精度。SNR = 6.02N + 1.76 = 20log(峰值噪声/满量程输入)从AD7719数据手册可知，当模拟输入范围为+2.56 V且数据更新速率为5.35 Hz时，均方根噪声等于1.25V。根据该数据计算信噪比：(20log(6.6 1.25E6)/(2.56 2) = 115.85 dB据此计算峰峰值分辨率：115.85 = 6.02N + 1.76 = N = (115.85 1.76)/6.02 = 19 Bits因此，在上述条件下，19个MSB中无闪烁位。有些公司规定使用有效分辨率，而不是峰峰值分辨率。有效分辨率是通过均方根噪声而非峰值噪声计算出的。使用均方根噪声计

4、算信噪比：(20log(1.25E6)/(2.56 2) = 132.25 dB据此计算有效分辨率：115.85 = 6.02N + 1.76 = N = (115.85 1.76)/6.02 = 19 Bits(20log(6.6 1.25E6)/(2.56 2) = 115.85 dBSNR = 6.02N + 1.76 = 20log(峰值噪声/满量程输入)据此计算有效分辨率：因此，有效分辨率 = 峰峰值分辨率 + 2.7位。评估ADC时，应当认识到有效分辨率与峰峰值分辨率的计算方法不同，有效分辨率比峰峰值分辨率大2.7位。此外，有效分辨率没有突出闪烁位数，峰峰值分辨率则指出了不闪烁的位

5、数，因而能更好地表示性能。均方根噪声就是噪声的有效值。三 -型ADC 上的PGA具备PGA 的主要好处是在增益增加时可减少噪声。实际上，输入信号在施加于ADC 前已放大，但噪声贡献不会同样放大，这使得信噪比得以改善。噪声在移至下一最高增时不会减半，因此选择较高增益时分辨率（单位为位）会减小（高增益设置下的LSB 小于低增益设置下的LSB）。不过，给定输入范围的分辨率在高增益设置下确实有所改善。许多其他ADC 均具有PGA，改变范围时会出现一个问题，即ADC 失调会随范围变化，因此改变增益后一般需要进行失调校准。不过，对于该系列的斩波ADC，ADC 失调误差微不足道，因此改变范围时ADC 失调没

6、有明显变化。如果在禁用斩波的情况下使用AD7708 或AD7718，改变范围时应执行失调校准。四 计算系统信噪比(ADC位数选择)图2 有用信号带宽与混叠现象图3 过采样图4抗混叠滤波器设计要求图4所示的抗混叠滤波器很严格，相当于在系统的最低动态范围DR条件下整个奈奎斯特带宽内都不能有混叠，实际上，只要在我们关心的信号频带fa内没有混叠即可，如图2所示。1ADC转换器的噪底要与模拟滤波器的衰减频率相同。 2模数转换器的采样过程影响的是信号的时间域，量化过程影响的是信号的幅度域。 3尽量使系统的噪声小于等于ADC的噪声底限（量化噪声）。一般的，当信号与噪声的幅度相同时，即Vs=Vn(这是满足系统

7、能够真实采样的最低条件，注意不是理论条件，理论条件是忽略噪声影响，这在现实中是不可能的)，上式变为n=0.3*m/(lg(k-1),其中，n为抗混叠滤波器阶数，m为ADC位数，k为采样速率与信号最高频率之比(fs/fa)。由该式可以得出，当k=2时，n=无穷大，除非系统的噪声底限非常小，相对于信号来说，否则一般取kmin=2.56。当k越高时，即过采样时，也会对滤波器的阶数要求降低。(参考一种分析和设计抗混叠滤波器的方法)。2.56倍采样速率 来源于衰减滤波器3DB截止频率。按nyquist定理，采样点数=2*谱线数。为了保险起见取2不安全，应该大一些。早期的FFT长度为2N，比如1024(N

8、=10),应该有512条有效谱线，但是频率过高的谱线质量不好，到底应该多少条呢，500条也不好，再往下一个好记的数是400，于是很多仪器便只显示前400条，这变是1024/400=2.56的起源。进而2048点显示前800条。采样定理基本知识*采样定理实际上涉及了3个主要条件，当确定其中2个条件后，第3个条件自动形成。这3个条件是进行正确数据采集的基础，必须理解深刻。条件1 采样频率控制最高分析频率采样频率（采样速率）越高，获得的信号频率响应越高，换言之，当需要高频信号时，就需要提高采样频率，采样频率应符合采样定理基本要求。这个条件看起来似乎很简单，但对于一个未知信号，其中所含最高频率信号的频

9、率究竟有多高，实际上我们是无法知道的。解决这个问题需要2个步骤，一是指定最高测量频率，二是采用低通滤波器把高于设定最高测量频率的成分全部去掉（这个低通滤波器就是抗混滤波器）。现实的抗混滤波器与理论上的滤波器存在差异，因此信号中仍会存在一定混叠成分，一般在计算频谱后将高频成分去掉，一般频谱线数取时域数据点的1/2.56，或取 间信号，频谱分辨率为1/8X。条件3 采样点数控制频谱线数解释这个条件，需要对FFT计算频谱的过程有一个了解。如果对于一个2048点的时间波形数据，我们可以获得2048点频域数据1024线频谱（每条谱线有两个值，直接值和正交值，或者说幅值和相位两个值）。对旋转机械来说，频谱

10、仅仅画出了FFT复数输出的幅值部分，对于相位部分一般不画，因此频谱中的线数最多为时域点数的一半，考虑到混叠的影响，频谱线数一般会低于时域数据点数。*整数倍采样的幅值精度与时域幅值相等，非整数倍采样最大误差不超过36.5%(泄漏最厉害的时候就是采样间隔的中点，比如8K采样，1004Hz就为幅值误差最大的时候)。常温条件下，由运放的失调电压，失调电流，增益误差，增益非线性，噪声引起的误差叫做总的未调节误差(因为其中的Vos,Ios增益误差可以通过系统校正来消除)，其中增益非线性和噪声引起的误差叫做分辨率误差（增益非线性误差无法通过校正来消除）。五 选择运放需要关注的重要参数1 输入失调电压一个理想

11、的运放，当输入电压为零时，输出电压也应该为零。实际上由于差分输入级的对称性不可能很完美，通常在输入电压为零的时候，输出一定的电压，为了使输出为零，必须在输入端加一个补偿电压，该电压就是运放的输入失调电压Vos。2 输入偏置电流输入偏置电流是指运放的输出端电压为零的时候，两个输入端静态电流的平均值，记做IB=(IBN+IBP)/2。六 注意区分有效位数与峰峰值分辨率(无闪烁码)或者有效分辨率峰峰值分辨率(无闪烁码)或者有效分辨率用于衡量ADC在无量化噪声的直流输入条件下的噪声。有效位数(ENOB)来自对ADC输出的FFT分析，条件是用一个满量程正弦波输入信号激ADC。计算所有噪声和失真项的和方根(RSS)值，信号对噪声和失真的比值定义为信纳SINAD或S/(N+D)。理想N位ADC的理论SNR为：有效位数ENOB：用于计算SINAD和ENOB的噪声和失真不仅包括折合到输入端噪声，而且包括量化噪声和失真项。SINAD和ENOB用于衡量ADC的动态性能。对于