模拟芯视界 | 电压基准噪声对 ADC ENOB 和无噪声分辨率的影响

引言

从温控器到飞行控制的诸多系统都使用模数转换器 (ADC) 来采集现实世界的模拟信号，这些信号将在数字域中进行处理，并根据数字结果采取必要的措施。每个 ADC 指定一定的位数来表示它可以产生的各种数字电平。对于给定的恒定 ADC 输入，由于典型信号链中的各种误差，ADC 的输出不是一个恒定的数字值。 因此，为了更好地进行比较，并从采集的数据中提取最多信息，务必考虑 信号链的有效位数 (ENOB) 或无噪声分辨率 。更高的精度需要更高的 ENOB 和无噪声分辨率。

通常，系统的信噪比 (SNR)、总谐波失真 (THD) 和噪声在 ENOB 计算中起着重要作用。对于现场变送器或测试和测量应用等多个系统，直流输入信号的准确度和精度至关重要。因此，噪声规格变得极其关键。 与 ADC 配合使用的电压基准是信号链中的关键元件，会影响精度和准确度。

电压基准对 ADC 噪声的影响

虽然滤波可以消除一些噪声，但实际上，低频下的噪声无法实际滤除。在电压基准中，受所需的电阻/电容滤波器元件的尺寸影响，无法在不对信号链性能产生重大影响的情况下滤除闪烁噪声（即 0.1Hz 至 10Hz 的噪声）。因此，系统中几乎始终存在噪声。

除了电压基准噪声之外，还会有来自 ADC 本身和 ADC 驱动器的噪声。这些元件中的每一个都会在生成数字信号的电路中产生噪声。图 1 为该电路的简化方框图。

图 1. 具有外部电压基准的通用 ADC电路配置

方程式 1 将此电路的总噪声表示为：

在确定系统的 ENOB 时，务必要知道电路中存在的噪声量。通常，选择低噪声器件对于低噪声设计至关重要。

在本文中，我们将重点介绍 电压基准选择 ，以及 可帮助更大限度地提高 ADC 性能的其他数据处理选择 。

电压基准对 THD 的影响

如果对电压基准引脚重复采样，会导致出现只能间隔几纳秒的电流瞬变。但是，对于 ADC，为了避免出现较大的增益误差，外部基准必须在采样相位结束时稳定或再充电。 降低采样速度 可以解决这个问题，但这并非总是可行。通常，ADC 越精确，其基准输入所需的电流消耗就越大。如果电压基准带宽不够高或输出阻抗过高，将无法为 ADC 的基准输入充电。这会导致压降，从而导致增益误差和较低的 ENOB。

因此，有时需要在电压基准的外部使用高带宽、低输出阻抗缓冲器，以提高 ADC 的 THD 并满足有关失真和 ENOB 的数据表规格 。 一些 ADC 具有内部电压基准缓冲器，但并非所有 ADC 都具有。图 2 展示了在何处添加外部缓冲器来提高电路的 THD。

图 2. 具有外部电压基准和基准缓冲器的通用 ADC电路配置

电压基准噪声和 THD 对 ENOB 有何影响

ENOB 可测量电路的交流特性对 ADC 分辨率有影响。电路的噪声和 THD 由一个称为信噪比和失真 (SINAD) 的术语表示。SINAD 用一个数字表示这两个交流特性，如方程式 2 所示：

从方程式 2 可以看出，随着 SNR 的增加，SINAD 也会增大。因此，出现的噪声和失真越少，SINAD 就越好。可以根据方程式 3 使用 SINAD 轻松得到 ADC 的 ENOB ：

再回顾一下方程式 1，降低基准电压中的总噪声会降低电路中的总噪声，从而使 SNR 增大。 随着 SNR 的增加，ENOB 也会增大。此外，在电压基准的输出端添加高带宽缓冲器也会使 ADC 的 THD 降低，从而使 ENOB 增大。

电压基准噪声对无噪声分辨率有何影响

虽然 ENOB 能很好地体现 ADC 输出的分辨率，但它不考虑直流性能。若要了解从直流输入到 ADC 的噪声对分辨率的影响，请考虑求出电路的无噪声分辨率。使用方程式 4，您可以通过观察 ADC 数字输出的最低有效位 (LSB) 数量中的代码扩展来计算无噪声分辨率，同时测量直流信号：

为了突出显示基准噪声对系统精度性能的影响，我们使用 REF70（具有 0.23ppm _p-p 闪烁噪声）和 REF50（具有 3ppm _p-p 闪烁噪声）对给定信号链进行了直流代码扩展测试。REF50 和 REF70 都是与高精度 ADC 搭配使用的高精度电压基准，并具有不同的直流特性。不过，在本练习中，目标是 比较这些器件在信号链电路中的噪声性能 。

本设计使用电池实现稳定的直流电源，其电压电平接近 ADS8900B 20 位 SAR ADC 的满标量程范围，该 ADC 以 20kSPS 的速率捕获数据。使用增益 = 1 的 OPA2320 来驱动 ADS8900B 输入。该 ADC 集成了基准缓冲器驱动器，因此不需要可选的基准缓冲器。 在电压基准的输出端放置一个简单的电阻电容低通滤波器可进一步降低电压基准的噪声。 图 3 展示了用于这些测试的设置。

图 3. 用于以下无噪声分辨率测试的电路

图 4. REF50噪声 = 3ppm _p-p 时的结果

图 5. REF70噪声 = 0.23ppm _p-p 时的结果

我们使用倍频程工具通过三种不同的数字滤波器对原始数据进行后处理：

• 1024 抽头移动平均滤波器。

• 801 抽头 17Hz 低通滤波器。

• 455 抽头 36Hz 低通滤波器。

图 6 展示了这些滤波器的滤波器响应。

图 6. 数字滤波器响应

通过方程式 4，您可以将 REF50 和 REF70 与每个滤波器配置文件对 ADC 分辨率的影响进行比较。表 1 总结了这些测试的结果。

图 7、图 8 和图 9 说明了数字滤波器对代码扩展的影响。

图 7. 1024 抽头滤波器直方图

图 8. 455 抽头滤波器直方图

图 9. 801 抽头滤波器直方图

结语

由于 ADC 用于数千种应用和技术，我们需要获得更高的精度和准确度。无论您是设计高度先进的 X 射线系统、非常精确的电池测试电路，还是任何其他创新，谨慎选择和实现电压基准对于提高 ADC 信号链的精度和准确度都至关重要。提高 ADC 的 ENOB 和无噪声分辨率，从而实现更先进和更多样化的信号链实现方案。