浅谈转换器的噪声!——第二部分

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浅谈转换器的噪声!——第二部分

Rob Reeder

问题:与模数转换器的噪声相比,电阻噪声怎么样?

答案:

在第一部分我们讨论了噪声指数(NF),并谈到了噪声频谱密度(NSD)的重要性,下面阐述一下原因。

模数转换器的总噪声频谱密度性能实际上反映为一系列参数,如热噪声、抖动以及量化噪声——也就是特定带宽(BW)上的信噪比(SNR)。在设计人员试图理 解被采样信号中的转换器最低可分辨“步进”时,转换器数据手册中给出的信噪比可以给他们提供现实的期望值。这个步进也被称为最低有效位或LSB。对于一个 已知满量程输入的N位转换器,可以用下面的公式计算出信噪比和最低有效位大小,即SNR=20*log(Vsignal-rms / Vnoise-rms),和LSB =(Vrms︱Fullscale/(2^N))。

通过重新整理这个公式可以得出转换器的噪声Vnoise-rms =Vsignal-rms*10^-SNR/20。因此,对于一个80MSPS、SNR=80dB、输入满量程电压为2Vpp的典型16位模数转换器来 说,其噪声Vnoiserms = 70.7uVrms,或LSB值为10.8uVrms。

下面让我们看一下电阻噪声。电阻噪声被定义为Vresn=sqrt(4*k*T*B W*阻值),因此一个1kΩ的电阻在1Hz带宽内将增加约4nV的噪声。公式中的T为开尔文温度(室温 = 290K),BW是带宽,k是波尔茨曼常数(1.38x10E- 23 瓦/秒/K)。对于转换器的电阻噪声,看起来似乎不必过于担心,但实际上千万不要被表象所迷惑。

让我们继续讨论如何降低噪声指数以便提高灵敏度。我们可以在转换器前端设计中增加增益和电阻来达到这一目的。在无源前端情况下,输入满量程降低2倍,意味着噪声指数将下降6dB。不过,还要考虑非相关的电阻噪声。

例如,在40MHz带宽内,一个50Ω的源电阻意味着电阻噪声有7.2uV。请注意:在单极点系统中,噪声带宽比信号带宽大1.57倍,这个50欧姆的电 阻带来的热噪声对系统的信噪比的恶化不会超过0.1dB,即,Vnoise-rms=sqrt(7.2uV^2 + 70.7uV^2)=71uVrms。这个幅度不是太大,但我们还没有把系统中的增益考虑进去。当信号链中的增益为2时,一个50Ω的电阻引起的噪声相当 于14.4uVrms,而相反的负载侧的200Ω终端电阻噪声将额外增加14.4uVrms。在这两个非相关的噪声源和的平方根(RSS)共同作用下,总 噪声将达20.3uVrms,相当于2个LSB!

这里的关键是转换器噪声远远大于电阻噪声项,即使转换器前有一些增益也是如此。然而,随着在整个信号链中使用更大的电阻和增益,总噪声将很容易使信噪比变差(LSB=1位=6dB)。因此,在信号链中分配增益一定要小心,因为各种负面因素的效应会很快叠加。

作者:Rob Reeder

Rob Reeder是ADI公司(美国北卡罗来纳州格林斯博罗)工业与仪器仪表部门高级系统应用工程师,负责防务和航空航天应用,发表了大量有关各种应用的转换器接口、转换器测试和模拟信号链设计的论文。Rob曾在高速转换器产品线上担任应用工程师8年之久。在此之前,Rob还担任过ADI多芯片产品业务的测试开发和模拟设计工程师,拥有5年的太空、防务和高度可靠的应用模拟信号链模块设计经验。 Rob于1996年和1998年分别获得北伊利诺斯州大学(迪卡尔布市)的电子工程学士(BSEE)学位和电子工程硕士(MSEE)学位。

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