新疆出台《问责条例》实施办法 规范问责程序

解析信号系列的第8部分进一步深入研究了不同的噪声源如何通过关注基准噪声和ADC噪声来影响delta-sigma-ADC的精度，以及增益如何影响参考噪声。

假设您需要设计一个高分辨率的传感器测量系统，例如一个精确的温度传感单元来控制工业烤箱。为了实现这一点，你在烤箱中安装一个热电偶来测量温度，把热电偶引线连接到测量系统上，然后模数转换器（ADC）输出一个数字代码。如何确定代码对应的实际温度？

在模拟电路设计中，使用参考电压作为进行模拟测量的基准。在本例中，参考电压的标称值决定了输出代码，该代码与特定温度相关。如果改变参考电压，输出代码也会按比例缩放，而测量的温度将保持不变。

由于输出代码与参考电压值直接相关，因此噪声或不准确的参考电压会产生同样不可靠的测量值。因此，对于高分辨率系统，选择合适的参考电压和选择一个高精度的ADC同样重要。

为了进一步了解不同的噪声源如何影响精度delta-sigma-adc，我将在本期“解析信号”系列文章中讨论与电压参考噪声相关的以下主题：

• 参考噪声和ADC噪声

• 增益如何影响参考噪声

在第9部分中，我将从第8部分中获取观察结果，并定义几种减少参考噪声的方法。我还将研究参考噪声如何影响低分辨率和高分辨率adc。

在本系列的第2部分，我讨论了用于表征ADC噪声的两种不同类型的测量：正弦波输入和输入短路。正弦波输入，顾名思义，输入一个特定振幅和频率的正弦波，以表征ADC如何量化该信号。相反，输入短路法通过缩短器件的输入并测量由于热噪声而导致的输出代码的微小变化来确定ADC在DC下的性能。图1说明了这些类型的噪声测量。

图1正弦波输入测试装置（左）；输入短测试设置（右）

ADC的输出代码与ADC输入信号振幅（VIN）除以ADC参考电压（VREF）成比例，如等式1所示：

当我们使用非零输入信号来描述ADC时（正弦波输入法就是这样），结果输出代码包含一些参考噪声。虽然目的只是描述ADC噪声，但该参考噪声总是成为ADC数据表中报告的噪声参数的一部分，包括信噪比（SNR）和信噪比与失真（SINAD）。

因此，使用一个类似于ADC测试设置的系统，可以使ADC的噪声性能达到与正弦波输入法的设备的数据表中报告的性能相当。

相比之下，输入短路法使用0V输入信号来测量没有信号时ADC输出代码的波动。在这种情况下，在输出端看不到参考噪声，因为方程式1中的比率始终等于0。输入短路法定义了ADC的绝对分辨率极限，因为您无法可靠地测量小于ADC固有噪声的输入。由于输入短路，数据表噪声参数，如输入参考噪声和有效分辨率不包括参考噪声的影响。如果你想用这种类型的ADC测量非零输入信号，你应该期望先前看不到的参考电压噪声会使输出处的总噪声增加，超过ADC数据表中的规定。

为了确定参考电压增加了多少噪声，图2显示了ADC噪声、参考噪声和组合噪声之间的关系，它们是使用满标度范围（FSR）的函数（利用率百分比）。图2以及随后的讨论适用于ADC噪声小于参考噪声（NADC<NREF）的情况。如果情况正好相反（NADC>NREF），则由于ADC噪声相对较高，较低的噪声参考电压几乎没有任何益处。

图2ADC噪声（蓝色条形图）、参考噪声（红色条形图）和组合ADC加参考噪声（绿线）作为FSR正利用率的函数

图2有三个要点：

这一点是输入电压为0V时的总噪声。由于A点使用与定义输入短噪声测量测试相同的条件，因此可以直接从ADC的数据表中读取。

这是输入电压等于参考电压时的总噪声，即满标度读数。通常，取参考噪声和ADC噪声的平方根（RSS）来确定点B。然而，当参考噪声远大于ADC噪声时（如图2所示），可将B点近似为参考噪声。无论哪种方式，您通常无法直接从数据表中读取参考电压噪声的值，因为它取决于包括参考电压的噪声特性在内的多个因素。图3显示了德州仪器的输出噪声谱密度参考文献6025，一个2.5V精密电压基准。

图3 REF6025的输出噪声谱密度图

在图3中，注意低频（1/f噪声）下的噪声密度与较高频率下相对平坦的噪声密度（宽带噪声）相比显著增加。就像在本系列的第7部分，参考噪声性能不一定是恒定的。

幸运的是，您可以使用与计算放大器噪声相同的方法来计算参考噪声，包括直接积分或简化公式. 您还需要计算系统的有效噪声带宽（ENBW）才能使用这些方法，因为ENBW为进入系统的参考噪声提供了截止频率。

该点是点A和点B的极值之间的任何一般噪声值。可以使用方程式2计算点C：

在方程式2中，B点根据FSR的利用率进行缩放。一般来说，您可以使用方程式2来确定图2中曲线图上任意点的总噪声，包括点A和点B。

等式2的一个重要结果是，给定NADC<NREF的条件，存在一个参考噪声占主导地位的点，无论利用率如何。在这一点上，增加信号幅度不会带来噪声性能方面的好处，这与获取输入信号总是减少噪声的普遍观点相矛盾。

相反，您需要平衡增加增益和FSR利用率，以确保满足系统噪声要求。让我们用一个例子来研究增益和参考噪声之间的关系。

对于本例，让我们继续使用图3中所示的REF6025，并将其与ADS1261，一个24位delta-sigma模数转换器。该器件提供低噪声和集成可编程增益放大器（PGA），这两种技术都将使参考噪声与增益的关系更加明显。尽管有这些选择，您可以将此分析应用于adc和电压参考的任何组合。图4显示了这个例子的系统设置。

图4 使用ADS1261和REF6025进行系统设置

类似于放大器噪声分析本系列的第6部分，您可以将图4中的组件分离为“无噪声”设备，其前面有一个与每个组件的噪声等效的电压源。ADC噪声（VN，ADC）可直接从ADS1261的数据表中读取，而您必须使用REF6025数据表和系统ENBW计算电压参考噪声（VN，REF）。幸运的是，您可以使用我在中详述的近似方法本系列的第5部分确定系统ENBW。在这种情况下，使用每秒60个采样数（SPS）输出数据速率（ODR）和ADS1261的低延迟滤波器，ENBW为13Hz。使用REF6025可产生约1.2μVRMS的噪声。

最后，您需要选择一个允许您使用所有可用ADC增益选项的输入信号。使用ADS1261的最大增益128V/V，使用2.5V参考电压，可以实现±19.5mV的最大差分输入电压。表1总结了系统规范。

表1.ADS1261-plus-REF6025示例的系统规范

现在，您可以将每个组件的噪声绘制为ADS1261 PGA增益的函数，以查看增益如何影响ADC和参考噪声。您还可以计算系统在每个步骤的有效分辨率，以了解引入参考噪声如何影响系统的动态范围。注意，这里的“有效分辨率”是使用19.5mV信号计算的，而不是ADC数据表中常见的每个增益设置处可能的最大FSR。图5显示了ADS1261的绘图。

图5 ADS1261噪声、参考噪声和有效分辨率与增益的关系

图5显示，即使使用100%正满标度范围，与ADC噪声相比，参考噪声几乎可以忽略不计。因此，由于输入电压非常小，因此改变增益对输入系统的参考噪声量没有影响，但是通过降低ADC噪声（如预期）降低了总噪声。

有趣的是，图2和图5都有一个有用的FSR利用极限（放大器噪声分析就是这样）。从系统噪声的角度来看，增加输入信号超过这一点没有任何好处。在图2中，这是在40%的利用率下发生的。在图5中，当有效分辨率曲线开始变平时，这个限制开始于大约32V/V的增益。

（这些限制特定于输入电压、噪声带宽、ADC和参考组合。不同的组合改变了这种系统限制，因此必须计算出该点在任何系统中的位置，以避免降低噪声性能。）

此外，图2和图5说明了将ADC噪声与参考电压噪声相匹配的重要性（因为它们与电路参数有关）。如果您的输入信号很小并且无法更改，那么增加您的输入信号可以减少ADC噪声，从而降低整个系统的噪声。因此，您也可以使用噪声更大的引用，因为实际上很少有参考噪声传递到系统中。

相比之下，如果你的输入信号大于中尺度，你可以预期参考噪声占主导地位。在这些情况下，应始终确保ADC噪声和参考噪声具有可比性。否则，您将支付电压参考性能，您不能实际使用。幸运的是，有多种方法可以减少参考噪声的影响并保持精确的系统。阅读第9部分了解更多信息。

以下是一些要点的总结，有助于更好地理解电压基准噪声如何影响delta-sigma-adc：

• 参考电压对系统噪声的贡献随FSR利用率而变化。

• 参考噪声可以有1/f和类似于放大器的宽带区域。

• 系统中的参考噪声会导致有用的FSR利用极限，在此之后，噪声性能无法通过信号增益得到进一步改善。

• 尽量使参考源的噪声幅度与ADC的噪声性能相匹配，以避免非零输入信号降低分辨率。