ADC信號(hào)鏈中放大器噪聲對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)

圖5. 圖3b電路10 MHz模擬輸入音的FFT

分析

圖3a與圖3b所示設(shè)置的唯一不同是信號(hào)鏈中增加了放大器，因此可以放心地說(shuō)，性能降低是由放大器的噪聲引起的。下面的計(jì)算有助于了解放大器帶來(lái)的噪聲。

首先，按照數(shù)據(jù)手冊(cè)的規(guī)定，使用轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)量程差分輸入電壓。將峰峰值電壓除以2√2得到均方根電壓，即0.707 V rms。

(1)

基于ADC在10 MHz時(shí)的典型SNR，轉(zhuǎn)換器的噪聲貢獻(xiàn)為

(2)

(3)

VNOISE, ADC = 92.2 μV rms， 帶放大器前端的系統(tǒng)SNR為 = 72.5 dBFS, 利用公式3計(jì)算系統(tǒng)噪聲得到168 μV rms。

(4)

(5)

從公式4得到的系統(tǒng)噪聲是ADC和VGA的合并噪聲。放大器噪聲可以利用公式5計(jì)算，結(jié)果為140 μV rms。這表明，放大器噪聲至少比ADC噪聲大50%，因此它是系統(tǒng)交流性能的限制因素。

注意，必須判斷計(jì)算得到的VNOISE, AMP值是否與放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)一致。在150 Ω差分輸出阻抗下，額定噪聲譜密度約為20 nV/√Hz。

雖然數(shù)據(jù)手冊(cè)聲稱(chēng)VGA的噪聲基本上不隨增益而變化，但此噪聲會(huì)隨負(fù)載而變化，因此噪聲譜密度應(yīng)根據(jù)放大器輸出驅(qū)動(dòng)的總阻抗進(jìn)行縮放。放大器的差分輸出阻抗很大(16 kΩ||0.8 pF)，因此放大器看到的阻抗(見(jiàn)圖1)可以計(jì)算如下：

利用此數(shù)值，本應(yīng)用中AD8375的減額噪聲譜密度可以通過(guò)公式6計(jì)算：

(6)

注意，利用實(shí)際濾波器計(jì)算系統(tǒng)噪聲時(shí)，噪聲帶寬的形狀與理想濾波器不同。頻率響應(yīng)的這種差別用“形狀因子”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)定義，反映滾降區(qū)中的噪聲。形狀因子取決于濾波器的階數(shù)，是噪聲帶寬與–3 dB帶寬的比值3。濾波器的極點(diǎn)越多，形狀因子越接近1。這一關(guān)系可從表1看出。

表1. 系統(tǒng)階數(shù)與形狀因子的關(guān)系

系統(tǒng)階數(shù)形狀因子

11.57

21.11

31.05

41.03

51.02

圖1示例的形狀因子為1.02。利用公式6計(jì)算放大器注入的噪聲：

VGA注入系統(tǒng)的這一估計(jì)噪聲值與利用公式5算得的測(cè)量值非常吻合，證明由AD8375和AD9268組成的信號(hào)鏈的性能主要取決于放大器。

結(jié)束語(yǔ)

許多情況下，系統(tǒng)信號(hào)鏈需要一個(gè)放大器(VGA或增益模塊)來(lái)將滿(mǎn)量程信號(hào)驅(qū)動(dòng)到ADC。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須了解不同放大器選擇導(dǎo)致的ADC性能降低情況。利 用所選放大器和ADC進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)師可以利用本文所述的方法計(jì)算放大器的噪聲分布，估計(jì)預(yù)定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的預(yù)期動(dòng)態(tài)性能(通過(guò)SNR表示)。