電壓基準(zhǔn)噪聲對于增量-累加ADC分辨率的影響

　　你評估過一個ADC的噪聲性能，并且發(fā)現(xiàn)測得的性能不同于器件數(shù)據(jù)表中所給出的額定性能嗎？在高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實現(xiàn)高分辨率需要對模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 噪聲有一定的認識和了解。有必要了解數(shù)據(jù)表如何指定噪聲性能，以及外部噪聲源對總體系統(tǒng)性能的影響方式。其中的一個噪聲源示例就是我的同事Ryan Andrews在他的博文，“小心！你的ADC的性能也許只和它的電源性能差不多。”中所談到過的電源噪聲。在這篇博文中，我將會看一看基準(zhǔn)噪聲如何影響增量-累加ADC中的DC噪聲性能。

　　如圖1所示，你可以用短接至中電源電壓的正負輸入來指定和測量一個ADC的DC噪聲性能。通過測量這個條件下的噪聲，ADC輸出代碼內(nèi)的噪聲幾乎不受基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)噪聲或輸入信號噪聲變化的影響。雖然這個測試條件相對于實際應(yīng)用來說是一個過于理想的情況，它的確較好地給出了一個不受某些外部噪聲源影響的ADC噪聲性能。

　　圖1：ADC噪聲性能測試（和調(diào)試）配置

　　提示：調(diào)試時，在開始其它系統(tǒng)噪聲性能測試之前，用評估隔離式ADC噪聲性能的短接輸入測試來開始評估系統(tǒng)的噪聲性能。

　　基準(zhǔn)噪聲如何影響ADC DC噪聲性能

　　這個影響與ADC的基本任務(wù)相關(guān)；而ADC的基本任務(wù)就是提供一個輸出代碼，來表示輸入信號電壓與基準(zhǔn)電壓的比率。輸入和基準(zhǔn)電壓都會將一個噪聲項添加到這個比率中，如方程式1所示：

　　（1）

　　輸入信號噪聲，，對于ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響是非常直接的。ADC將捕捉未被濾除掉的任何噪聲—使用外部電阻-電容 （RC） 濾波器，或者增量-累加ADC的信號濾波器進行過濾。由于對于方程式1中的比率有直接影響，你可以在輸出代碼中進行觀察。

　　提示：在評估ADC噪聲性能時，由于輸入信號的噪聲直接影響ADC的輸出結(jié)果，請確保輸入信號是一個低噪聲源。

　　然而，基準(zhǔn)噪聲，，對于ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響并不直接，這是因為出現(xiàn)在分母中。當(dāng)分子為零時（就與ADC輸入被短接的情況一樣），這個比率始終為零，而項將不會影響比率。當(dāng)分子與分母大體相等時，將會對比率有很大的影響。當(dāng)比率介于0和1之間時，的影響由比率值來衡量。圖2顯示的是得出的特性運行方式。

　　圖2：ADC和基準(zhǔn)噪聲與輸入電壓之間的關(guān)系

　　當(dāng)通過使用均方根增加的方法將基準(zhǔn)噪聲添加到ADC的噪聲中時，這個組合噪聲是輸入電壓的函數(shù)，它會在正或負輸入電壓變大時增加。在圖2中的曲線上，有幾個點需要注意：

　　點A，這是用ADC數(shù)據(jù)表中給出的短接輸入測得的ADC噪聲。

　　點B，這是總帶寬限制基準(zhǔn)噪聲，通常受到ADC數(shù)字濾波器帶寬的限制。

　　如果你知道針對噪聲源的噪聲頻譜密度和噪聲帶寬的話，你就能夠計算出基準(zhǔn)噪聲（點B）；否則的話，將一個滿量程電壓輸入施加到ADC上，并且測量噪聲性能，這樣通常能夠獲得一個比較好的基準(zhǔn)噪聲測量值。

　　如何選擇一個基準(zhǔn)電壓源

　　對于在整個ADC輸入范圍內(nèi)實現(xiàn)低噪聲/高分辨率性能來說，一個低噪聲基準(zhǔn)十分重要?；鶞?zhǔn)噪聲需求將取決于系統(tǒng)的目標(biāo)分辨率、輸入信號范圍和數(shù)據(jù)速率（而這通常限制了輸入和基準(zhǔn)噪聲帶寬）。當(dāng)噪聲帶寬受到較慢數(shù)據(jù)速率限制時，或者輸入信號跨度被限制在ADC滿量程范圍內(nèi)的一個較小區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)能夠耐受額外的基準(zhǔn)噪聲。

　　很多增量-累加ADC包含一個集成基準(zhǔn)，它為大多數(shù)應(yīng)用提供了充足的性能。對于要求更加嚴(yán)格的應(yīng)用，使用一個外部基準(zhǔn)也許可以提升輸入處于正和負滿量程范圍附近時的噪聲性能。外部高精度基準(zhǔn)可以實現(xiàn)更低的噪聲性能，這是因為它們的功耗更高。圖3將24位ADS1259增量-累加ADC的噪聲性能與內(nèi)部基準(zhǔn)源、一個外部REF5025電壓源，以及一個比例換算的基準(zhǔn)源進行比較。

　　圖3：具有內(nèi)部、外部和比例換算基準(zhǔn)源的ADS1259噪聲性能

　　雖然外部基準(zhǔn)也許能夠?qū)崿F(xiàn)比集成基準(zhǔn)更好的噪聲性能，而比例換算基準(zhǔn)配置的表現(xiàn)更佳。一個比例換算配置在基準(zhǔn)電壓和輸入信號激勵方面共用同樣的電壓源。通過共用一個共同的電壓和噪聲源，方程式1中的和往往在比率中相互抵消。

　　當(dāng)你下次評估ADC的噪聲性能時，請確保將基準(zhǔn)噪聲效應(yīng)考慮在內(nèi)。此外，只要傳感器需要一個激勵源，比例換算測量實現(xiàn)方式應(yīng)該成為你的首選。