【世说设计】深入探讨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。
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。
原文转自亚德诺半导体
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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
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