ADI 精密資料擷取訊號鏈的雜訊分析
前言：
ADI儀器儀錶、航空航太與防務業務部應用工程師 Maithil Pachchigar
簡介
在很多應用中，類比前端接收單端或差分訊號，並執行所需的增益或衰減、抗混疊濾波及位準轉換，之後在全刻度位準下驅動ADC輸入端。本文將探討精密資料擷取訊號鏈的雜訊分析，並深入研究此種訊號鏈的總雜訊貢獻。
在很多應用中，類比前端接收單端或差分訊號，並執行所需的增益或衰減、抗混疊濾波及位準轉換，之後在全刻度位準下驅動ADC輸入端。本文將探討精密資料擷取訊號鏈的雜訊分析，並深入研究此種訊號鏈的總雜訊貢獻。
如圖1所示，低功耗、低雜訊、全差分放大器ADA4940-1驅動差分輸入、18位元、1 MSPS PulSAR® ADC AD7982，同時低雜訊精密5 V基準電壓源ADR435用來提供ADC所需的5 V電源。此訊號鏈無需額外驅動器級和基準電壓緩衝器，因此簡化了類比訊號調理，可節省電路板空間和成本。將一個單極點截止頻率2.7 MHz RC(22 Ω，2.7 nF)低通濾波器放在ADC驅動器輸出和ADC輸入之間，有助於限制ADC輸入端雜訊，並減少來自逐次逼近型(SAR) ADC輸入端容性DAC的反沖。
圖1.低功耗全差分18位元1 MSPS資料擷取訊號鏈(簡化示意圖：未顯示所有連接和去耦)。
ADA4940-1用作ADC驅動器時，使用者可以進行必要的訊號處理，包括對訊號實施位準轉換和衰減或放大，以便使用四個電阻實現更大動態範圍，從而不再需要額外的驅動器級。採用回饋電阻(R2 = R4)對增益電阻(R1 = R3)之比設置增益，其中R1 = R2 = R3 = R4 = 1 kΩ。
對於平衡差分輸入訊號，等效輸入阻抗為2×增益電阻(R1或R3) = 2 kΩ，對於非平衡(單端)輸入訊號，等效阻抗根據下式計算，約為1.33 kΩ
如果需要可以在輸入端並聯一個終端電阻。
ADA4940-1內部共模回饋迴路強制共模輸出電壓等於施加到VOCM輸入的電壓，同時提供良好的輸出平衡。當兩個回饋係數(β1和β2)不相等時，差分輸出電壓取決於VOCM；此時，輸出幅度或相位的任何不平衡都會在輸出端產生不良共模成分，導致差分輸出中有冗餘雜訊和失調。因此，在這種情況下(即，β1 = β2)，輸入源阻抗和R1 (R3)的組合應等於1 kΩ，以避免各輸出訊號的共模電壓失配，並防止ADA4940-1的共模雜訊增加。
訊號在印刷電路板(PCB)的走線以及長電纜中傳輸時，系統雜訊會疊加到訊號中，差分輸入ADC會抑制訊號雜訊，並表現為一個共模電壓。
該款18位元1 MSPS資料擷取系統的預期訊號雜訊比(SNR)理論值可透過每個噪音源(ADA4940-1、ADR435和AD7982)的和方根(RSS)計算得出。
ADA4940-1在100 kHz時的低雜訊性能典型值為3.9 nV/√Hz，如圖2所示。
圖2.ADA4940輸入電壓雜訊頻譜密度和頻率的關係。
必須計算差分放大器的雜訊增益，以便找到等效輸出雜訊貢獻。
差分放大器的雜訊增益為：
其中
以及
是兩個回饋係數。
應當考慮下列差分放大器雜訊源
由於ADA4940-1輸入電壓雜訊為3.9 nV/√Hz，其差分輸出雜訊應當為7.8 nV/√Hz。ADA4940-1產品手冊中的共模輸入電壓雜訊(eOCM)為83 nV/√Hz，因此其輸出雜訊為:
給定頻寬條件下，R1、R2、R3和R4電阻雜訊可根據詹森-奈奎斯特雜訊方程計算出：
由於ADA4940-1輸入電壓雜訊為3.9 nV/√Hz，其差分輸出雜訊應當為7.8 nV/√Hz。ADA4940-1產品手冊中的共模輸入電壓雜訊(eOCM)為83 nV/√Hz，因此其輸出雜訊為:
給定頻寬條件下，R1、R2、R3和R4電阻雜訊可根據詹森-奈奎斯特雜訊方程計算出：
其中kB是玻爾茲曼常數(1.38065 × 10 – 23 J/K)，T為電阻絕對溫度(開爾文)，而R為電阻值(Ω)。
來自回饋電阻的雜訊為：
來自回饋電阻的雜訊為：
來自R1的雜訊為：
來自R3的雜訊為：
ADA4940-1產品手冊中的電流雜訊為0.81 pA/√Hz。
反相輸入電壓雜訊：
ADA4940-1產品手冊中的電流雜訊為0.81 pA/√Hz。
反相輸入電壓雜訊：
同相輸入電壓雜訊：
因此，來自ADA4940的等效輸出雜訊貢獻為：
(RC濾波器之後)的ADC輸入端總積分雜訊為：
AD7982的均方根雜訊可根據5 V基準電壓源情況下的典型訊號雜訊比(SNR，98 dB)計算得出。
根據這些資料，ADC驅動器和ADC的總雜訊貢獻為
注意，本例中忽略來自ADR435基準電壓源的雜訊貢獻，因為它非常小。
因此，資料擷取系統的理論SNR可根據下式近似計算。
圖3.FFT曲線圖，fIN = 1 kHz，FS = 1 MSPS (將ADA4940-1配置成全差分驅動器)。
AD7982在1 kHz輸入訊號時，SNR典型值為96.67 dB，THD典型值為-111.03 dB，如圖3中的FFT性能所示。這種情況下測得的SNR為96.67 dB，非常接近上文中的96.95 dB SNR理論估算值。產品手冊中98 dB的目標SNR的實際損耗由來自ADA4940-1差分放大器電路的等效輸出雜訊貢獻所導致。
針對給定應用選擇ADC驅動器以驅動SAR ADC時，雜訊是一個重要規格，詳細查閱頻寬、建立時間、輸入和輸出上裕量/下裕量以及功耗要求也很重要。有關驅動高解析度精密PulSAR ADC的推薦放大器的更多資訊，請參閱ADI 公司ADC驅動器選型指南。相關設計差分放大器電路資訊，請下載免費且直覺易用的ADI公司DiffAmpCalc™工具。
