作者：Rose DelaneyandPasquale Delizia

本文介紹了對高速寬帶寬信號鏈的噪聲性能進行理論分析所需的步驟。盡管選擇了特定的信號鏈進行分析，但突出顯示的步驟可以認為對任何類型的信號鏈都有效。建議五個主要階段：聲明假設，繪制鏈信號的簡化原理圖，計算每個信號鏈模塊的等效噪聲帶寬，計算所有模塊在信號鏈輸出端的噪聲貢獻，以及添加所有噪聲貢獻。分析顯示了如何使用簡單的數學來描述所有噪聲貢獻。了解每個模塊如何影響整體噪聲，設計人員可以適當地修改設計（例如，組件的選擇）以優(yōu)化其噪聲性能。

介紹

在 設計 測量 信號 鏈 時， 必須 通過 噪聲 分析 確定 信號 鏈 解決 方案 的 噪聲 是否 足夠低， 以便 輕松 提取 最小 的 目標 信號。徹底的噪聲分析可以在生產過程中節(jié)省時間和金錢。本文將概述進行信號鏈噪聲分析所需的主要步驟。

圖1.精密寬帶寬電流/電壓測量功率優(yōu)化信號鏈。

分析分為五個主要步驟：

1. 聲明假設

2. 繪制鏈信號的簡化示意圖

3. 計算每個信號鏈模塊的等效噪聲帶寬

4. 計算所有模塊在信號鏈輸出端的噪聲貢獻

5. 添加所有噪聲貢獻

1. 聲明假設

對于噪聲分析或對信號鏈電路執(zhí)行的任何分析，重要的是要概述對信號鏈中每個模塊所做的假設。概述了為這項工作所做的一些假設：

保護塊

假設保護塊不會增加任何明顯的噪音。該模塊的噪聲將由保護開關塊的小導通電阻引起。在以下示例中，我們使用導通電阻為11 Ω的ADG5421F，因此產生的噪聲頻譜密度（NSD）為0.43 nV/√Hz。由于該值比增益模塊的最低NSD小18倍，因此無需考慮。如果實施額外的保護措施（TVS二極管等），還需要考慮這些保護措施。

信號濾波模塊

假設信號濾波模塊只有一個極點。假設考慮到被檢查的帶寬（400 kHz）與采樣頻率（15 MSPS）的單極點就足夠了。

參考塊

假設來自基準電壓模塊的噪聲可以忽略不計，因為所選的基準電壓具有出色的噪聲性能（0.25 p-p（10 Hz至1 kHz）和0.21 ppm rms（10 Hz至1 kHz）），因此不包括在分析中。這是特定于此信號鏈示例的，如果使用不同的信號鏈和基準電壓源，則需要進一步分析。

隔離塊

不考慮來自隔離塊的噪聲。

其他假設

分析在 25°C （298.15 K） 的溫度下進行。

假設給定模塊的NSD在采樣頻率上是均勻的。僅考慮熱噪聲。

對于ADC，取總噪聲（kTC和其他噪聲源）。

采樣頻率（15 MSPS）遠大于正在檢查的帶寬（400 kHz）。

2. 繪制信號鏈的簡化原理圖

從信號鏈解決方案（見圖1）中，為以下每個階段生成一個簡化的原理圖（見圖2）：

增益模塊

信號濾波器

模數轉換器驅動器

ADC 輸入 RC 濾波器

模數轉換器

我們還可以注意到：

增益級被視為黑匣子，因為它的噪聲性能基于其增益并考慮所有內部噪聲源。這意味著增益級產生的噪聲可以直接使用數據手冊中增益放大器的NSD值計算。增益選擇完全包含在增益級內。

信號濾波器嵌入在驅動器中。選擇使用無源濾波器會降低總功耗，這是所分析信號鏈的主要屬性之一。通過這樣做，R 的值濾波器， RG和 RF需要仔細選擇以確?？傂盘栐鲆鏋?，如圖4所示。R 的值G對信號濾波器的帶寬貢獻如下：

哪里

RC網絡級的分量值發(fā)生在ADC采樣之前，使用精密ADC驅動器工具找到。此工具的默認值用于信號鏈分析計算。這些值也可以在產品數據表上找到或計算。2

圖2.簡化的信號鏈。

3. 和 4.計算每個信號鏈模塊的等效噪聲帶寬（ENB），并計算所有模塊在信號鏈輸出端的噪聲貢獻

在本節(jié)中，我們將單獨計算所有模塊的等效噪聲帶寬和噪聲貢獻。

需要注意的關鍵公式：

電阻的NSD可通過以下公式找到：

等效噪聲帶寬（ENB）是磚墻濾波器的帶寬，其產生的集成噪聲功率與實現的濾波器相同。3

信號鏈模塊的ENB計算公式為：

對于單極系統(tǒng)：

對于 2 極系統(tǒng)：

注意：此CAN公式僅適用于此ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC網絡生成的2極點濾波器的組合。使用不同的過濾器組合時，可能需要不同的注意事項。

對于具有兩個或更多極的系統(tǒng)，請參閱表 1。噪聲帶寬比用于計算ENB。3

極數	噪聲帶寬比
1	1.57
2	1.22
3	1.16
4	1.13
5	1.11

當無源濾波器用于信號濾波器時，以下分析適用，如圖3所示。

注意：對于信號濾波器中的此分析

這樣做是為了避免驅動器級的增益，因為我們只希望增益發(fā)生在增益模塊中。同樣

如圖 4 所示。

增益模塊

增益模塊產生的噪聲由濾波器模塊濾除，濾波器模塊的帶寬遠低于ADC驅動輸出RC網絡和ADC輸入采樣網絡產生的濾波器。

NSD值考慮了增益模塊的所有噪聲源，并在數據手冊中給出。

圖3.用于噪聲分析的原理圖部分。

圖4.設置電阻值以進行噪聲分析。

用于信號濾波器

信號濾波器或抗混疊濾波器應設計為在鏈中的下一個全差分放大器（FDA）級中保持1的增益。這意味著將FDA輸入電阻分成兩個相等的電阻 - 一個用于無源信號濾波器，另一個用于FDA的輸入：

濾波電阻（R_filter）產生的噪聲由濾波器本身濾除，其帶寬遠低于ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC產生的組合濾波器。

這與差分方案有關。

用于 ADC 驅動器放大器電阻器

放大器電阻產生的噪聲（R司機和 R司機圖4中突出顯示的/2）由信號鏈接下來兩個模塊中存在的組合濾波器進行濾波。

這是一個二階濾波器，由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC組成。

2 與微分方案有關。

4與噪聲增益有關：

2 與微分方案有關。

它們在同一步驟中組合，如下所示：

用于驅動器放大器

放大器驅動器產生的噪聲由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC產生的組合濾波器濾除。

二階濾波器

9與放大器噪聲增益有關：

ADC 輸入 RC 濾波器

ADC輸入RC濾波器網絡中電阻產生的噪聲由ADC輸入RC濾波器和ADC采樣RC產生的組合濾波器濾除。

二階濾波器

2 與微分方案有關。

模數轉換器

ADC產生的噪聲可以直接添加，并從數據手冊中計算。

–以dBFS為單位的滿量程幅度和信噪比（SNR）可以從數據手冊中找到。

5. 計算信號鏈的噪聲

要添加所有噪聲貢獻，請使用和方根方法：

噪聲頻譜密度

噪聲頻譜密度（NSD）可以考慮ADC采樣頻率來計算。

需要注意的要點

不同器件的NSD只有在相同帶寬上測量時才能直接添加。

信號濾波電阻值的選擇取決于噪聲與信號鏈功耗的應用要求以及所檢查的帶寬。

有關進一步的I&V噪聲、帶寬和功耗分析：

摘要表

圖5.摘要表。

增益模塊
信號濾波器

模數轉換器驅動器

ADC 輸入 RC 濾波器
模數轉換器

圖6.工作的例子。

獲得	噪聲增益級LTC6373	噪聲信號濾波器	噪聲驅動器放大器電阻器	噪聲驅動器放大器ADA4945	噪聲ADC 輸入 RC 濾波器	噪聲模數轉換器LTC2387	噪聲總（RSS 方法）
0.25	8.30	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	91.3
0.5	10.5	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	91.6
1	14.8	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	92.2
2	19.3	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	93.0
4	30.1	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	95.8
8	53.3	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	105
16	101	2.27	61.9	47.6	7.99	45.9	136

*以上測量值均為μV rms

結論

通過執(zhí)行這些步驟，設計人員將能夠分析和計算所選信號鏈的噪聲性能。該分析提供了有關信號鏈中不同組件如何影響噪聲性能以及如何最小化噪聲性能的有用見解（例如，更改電阻的尺寸、更改組件或最小化等效噪聲帶寬）。因此，設計人員可以創(chuàng)建一個方案，確保信號鏈提取最小的目標信號，從而節(jié)省時間和金錢。

附錄

其他配置：

可以選擇使用有源濾波器而不是無源濾波器，如圖7所示。

選擇在信號鏈中使用有源濾波器還是無源濾波器將取決于應用。分析中使用的有源濾波器具有低電流消耗和低噪聲。但是，它可能不適合某些應用，因為它的失真性能在整個頻率范圍內并不好。

如果選擇了有源濾波器，則需要對計算進行更改：

用于信號濾波器

有源濾波器：

2 與微分方案有關。

選擇R濾波器以保持1的增益。

用于濾波放大器

當使用有源濾波器版本時，濾波器放大器會產生噪聲，濾波器放大器構成有源濾波器的一部分。這對于與無源濾波電路一起使用不是必需的，因為沒有使用濾波放大器。

用于 ADC 驅動器放大器電阻器

有源濾波器：

2 與微分方案有關。

注意：有源濾波器電路中放大器驅動器的噪聲增益為1：

2 與微分方案有關。

用于驅動器放大器

有源濾波器：

4與放大器噪聲增益有關：

在這里，我們可以使用單端等效電路，其所有噪聲都出現在運算放大器的正輸入端。

所有其他計算仍如前所述。

圖7.活動過濾器配置。

審核編輯：郭婷