精密数据采集信号链的噪声分析

在许多应用中，模拟前端采用单端或差分信号，根据需要执行增益或衰减、抗混叠滤波和电平转换，然后以满量程电平驱动ADC的输入。本文深入探讨了精密数据采集信号链的噪声分析，并深入探讨了该信号链的总体噪声贡献。

如图1所示，低功耗、低噪声、全差分放大器ADA4940-1驱动18位、1 MSPS PulSAR ADC的差分输入，而低噪声、精密5 V基准电压源ADR435用于为ADC所需的5 V供电。该信号链无需额外的驱动器级和基准电压缓冲器，从而简化了模拟信号调理，从而节省了电路板空间并节省了成本。ADC驱动器输出和ADC输入之间放置了一个单极点、2.7 MHz、RC（22 Ω，2.7 nF）低通滤波器，以帮助限制ADC输入端的噪声，并降低逐次逼近寄存器（SAR） ADC的容性DAC输入产生的反冲效应。

图1.低功耗、全差分、18位、1 MSPS数据采集信号链（原理示意图：未显示所有连接和去耦）。

当用作ADC驱动器时，ADA4940-1允许用户进行必要的信号调理，包括电平转换以及衰减或放大信号，以获得更大的动态范围，使用四个电阻。这消除了对额外驱动程序级的需求。反馈电阻（R2 = R4）与增益电阻（R1 = R3）的比值设定增益，其中R1 = R2 = R3 = R4 = 1 kΩ。

对于平衡差分输入信号，有效输入阻抗为2×增益电阻（R1或R3）= 2 kΩ，对于非平衡（单端）输入信号，有效阻抗约为1.33 kΩ，使用公式

如果需要，可以使用与输入并联的端接电阻。

ADA4940-1内部共模反馈环路强制共模输出电压等于施加于V的电压OCM输入并提供出色的输出平衡。差分输出电压取决于 VOCM当两个反馈因子β1和β2不相等时，输出幅度或相位的任何不平衡都会在输出中产生不需要的共模分量，并在差分输出中产生冗余噪声和失调。因此，在这种情况下，输入源阻抗和R1（R3）的组合必须为1 kΩ（即β1 = β2），以避免每个输出信号的共模电压不匹配，并防止来自ADA4940-1的共模噪声增加。

当信号穿过印刷电路板（PCB）和长电缆的走线时，系统噪声会累积在信号中，差分输入ADC抑制任何表现为共模电压的信号噪声。

这款18位、1 MSPS数据采集系统的预期信噪比（SNR）理论上可以通过取每个噪声源（ADA4940-1、ADR435和AD7982）的和方根（RSS）来计算。

ADA4940-1在100 kHz时提供典型值为3.9 nV/√Hz的低噪声性能，如图2所示。

图2.ADA4940输入电压噪声频谱密度与频率的关系

计算差分放大器的噪声增益对于找到其等效输出噪声贡献非常重要。

差分放大器的噪声增益为：

哪里

和

是两个反馈因素。

应考虑以下差分放大器噪声源：

由于ADA4940-1的输入电压噪声为3.9 nV/√Hz，因此其差分输出噪声为7.8 nV/√Hz。ADA4940-1共模输入电压噪声（eOCM） 与数据手册中的 83 nV/√Hz 相距，因此其输出噪声为

R1、R2、R3和R4电阻的噪声可以根据给定带宽下的约翰逊-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 是以开尔文为单位的电阻绝对温度，R 是以欧姆 （Ω） 为单位的电阻值。

来自反馈电阻的噪声为

来自 R1 的噪音将是

和 R3 将是

数据手册中的ADA4940-1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，ADA4940的等效输出噪声贡献将

ADC输入端（RC滤波器后）的总积分噪声为

AD7982的均方根噪声可通过其5 V基准电压源的典型信噪比（SNR）98 dB计算得出。

使用这些数字，ADC驱动器和ADC的总噪声贡献为

请注意，在这种情况下，ADR435基准电压源的噪声贡献被忽略，因为它可以忽略不计。

因此，数据采集系统的理论信噪比可以估算如下。

AD7982在1 kHz输入信号下的典型SNR为96.67 dB，THD为–111.03 dB，如图3所示。在这种情况下，测得的SNR为96.67 dB，非常接近上述96.95 dB的理论估计SNR。数据手册中规定的98 dB目标SNR的实际损耗归因于ADA4940-1差分放大器电路的等效输出噪声贡献。

图3.FFT图，fIN = 1 kHz，FS = 1 MSPS（ADA4940-1配置为全差分驱动器）。

在为给定应用选择用于驱动SAR ADC的ADC驱动器时，噪声是一个重要的指标，严格审查带宽、建立时间、输入和输出裕量/裕量以及功率要求也是如此。

审核编辑：郭婷