在許多應(yīng)用中，模擬前端采用單端或差分信號(hào)，根據(jù)需要執(zhí)行增益或衰減、抗混疊濾波和電平轉(zhuǎn)換，然后以滿量程電平驅(qū)動(dòng)ADC的輸入。本文深入探討了精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈的噪聲分析，并深入探討了該信號(hào)鏈的總體噪聲貢獻(xiàn)。

如圖1所示，低功耗、低噪聲、全差分放大器ADA4940-1驅(qū)動(dòng)18位、1 MSPS PulSAR ADC的差分輸入，而低噪聲、精密5 V基準(zhǔn)電壓源ADR435用于為ADC所需的5 V供電。該信號(hào)鏈無需額外的驅(qū)動(dòng)器級(jí)和基準(zhǔn)電壓緩沖器，從而簡(jiǎn)化了模擬信號(hào)調(diào)理，從而節(jié)省了電路板空間并節(jié)省了成本。ADC驅(qū)動(dòng)器輸出和ADC輸入之間放置了一個(gè)單極點(diǎn)、2.7 MHz、RC（22 Ω，2.7 nF）低通濾波器，以幫助限制ADC輸入端的噪聲，并降低逐次逼近寄存器（SAR） ADC的容性DAC輸入產(chǎn)生的反沖效應(yīng)。

圖1.低功耗、全差分、18位、1 MSPS數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）。

當(dāng)用作ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，ADA4940-1允許用戶進(jìn)行必要的信號(hào)調(diào)理，包括電平轉(zhuǎn)換以及衰減或放大信號(hào)，以獲得更大的動(dòng)態(tài)范圍，使用四個(gè)電阻。這消除了對(duì)額外驅(qū)動(dòng)程序級(jí)的需求。反饋電阻（R2 = R4）與增益電阻（R1 = R3）的比值設(shè)定增益，其中R1 = R2 = R3 = R4 = 1 kΩ。

對(duì)于平衡差分輸入信號(hào)，有效輸入阻抗為2×增益電阻（R1或R3）= 2 kΩ，對(duì)于非平衡（單端）輸入信號(hào)，有效阻抗約為1.33 kΩ，使用公式

如果需要，可以使用與輸入并聯(lián)的端接電阻。

ADA4940-1內(nèi)部共模反饋環(huán)路強(qiáng)制共模輸出電壓等于施加于V的電壓OCM輸入并提供出色的輸出平衡。差分輸出電壓取決于 VOCM當(dāng)兩個(gè)反饋因子β1和β2不相等時(shí)，輸出幅度或相位的任何不平衡都會(huì)在輸出中產(chǎn)生不需要的共模分量，并在差分輸出中產(chǎn)生冗余噪聲和失調(diào)。因此，在這種情況下，輸入源阻抗和R1（R3）的組合必須為1 kΩ（即β1 = β2），以避免每個(gè)輸出信號(hào)的共模電壓不匹配，并防止來自ADA4940-1的共模噪聲增加。

當(dāng)信號(hào)穿過印刷電路板（PCB）和長(zhǎng)電纜的走線時(shí)，系統(tǒng)噪聲會(huì)累積在信號(hào)中，差分輸入ADC抑制任何表現(xiàn)為共模電壓的信號(hào)噪聲。

這款18位、1 MSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的預(yù)期信噪比（SNR）理論上可以通過取每個(gè)噪聲源（ADA4940-1、ADR435和AD7982）的和方根（RSS）來計(jì)算。

ADA4940-1在100 kHz時(shí)提供典型值為3.9 nV/√Hz的低噪聲性能，如圖2所示。

圖2.ADA4940輸入電壓噪聲頻譜密度與頻率的關(guān)系

計(jì)算差分放大器的噪聲增益對(duì)于找到其等效輸出噪聲貢獻(xiàn)非常重要。

差分放大器的噪聲增益為：

哪里

和

是兩個(gè)反饋因素。

應(yīng)考慮以下差分放大器噪聲源：

由于ADA4940-1的輸入電壓噪聲為3.9 nV/√Hz，因此其差分輸出噪聲為7.8 nV/√Hz。ADA4940-1共模輸入電壓噪聲（eOCM） 與數(shù)據(jù)手冊(cè)中的 83 nV/√Hz 相距，因此其輸出噪聲為

R1、R2、R3和R4電阻的噪聲可以根據(jù)給定帶寬下的約翰遜-奈奎斯特噪聲方程計(jì)算：

其中 kB是玻爾茲曼常數(shù) （1.38065 × 10 – 23 J/K），T 是以開爾文為單位的電阻絕對(duì)溫度，R 是以歐姆 （Ω） 為單位的電阻值。

來自反饋電阻的噪聲為

來自 R1 的噪音將是

和 R3 將是

數(shù)據(jù)手冊(cè)中的ADA4940-1電流噪聲為0.81 pA/√Hz。

反相輸入電壓噪聲：

同相輸入電壓噪聲：

因此，ADA4940的等效輸出噪聲貢獻(xiàn)將

ADC輸入端（RC濾波器后）的總積分噪聲為

AD7982的均方根噪聲可通過其5 V基準(zhǔn)電壓源的典型信噪比（SNR）98 dB計(jì)算得出。

使用這些數(shù)字，ADC驅(qū)動(dòng)器和ADC的總噪聲貢獻(xiàn)為

請(qǐng)注意，在這種情況下，ADR435基準(zhǔn)電壓源的噪聲貢獻(xiàn)被忽略，因?yàn)樗梢院雎圆挥?jì)。

因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理論信噪比可以估算如下。

AD7982在1 kHz輸入信號(hào)下的典型SNR為96.67 dB，THD為–111.03 dB，如圖3所示。在這種情況下，測(cè)得的SNR為96.67 dB，非常接近上述96.95 dB的理論估計(jì)SNR。數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的98 dB目標(biāo)SNR的實(shí)際損耗歸因于ADA4940-1差分放大器電路的等效輸出噪聲貢獻(xiàn)。

圖3.FFT圖，fIN = 1 kHz，F(xiàn)S = 1 MSPS（ADA4940-1配置為全差分驅(qū)動(dòng)器）。

在為給定應(yīng)用選擇用于驅(qū)動(dòng)SAR ADC的ADC驅(qū)動(dòng)器時(shí)，噪聲是一個(gè)重要的指標(biāo)，嚴(yán)格審查帶寬、建立時(shí)間、輸入和輸出裕量/裕量以及功率要求也是如此。

審核編輯：郭婷